Microalgae in aquaculture wastewater : a new forecasting method of production in a marine system

Abstract

In the field of aquaculture, the main microalgae application is animal nutrition, in which they can be used as an unprocessed component, or as dried material for feed preparations. Moreover, microalgae can assimilate the main nutrients dissolved in aquaculture wastewater reducing the environmental impact of aquaculture and at the same time producing valuable biomass. Because of the variability of wastewater, it is not easy to predict the microalgae production, nevertheless, the mathematical model could offer the possibility to study microalgae growth in different conditions. Mathematical models are used to forecast algal productivity and nutrient removal efficiency in synthetic media and in urban wastewater, but they were never been implemented and calibrated for aquaculture wastewater. The main outcome of the present Ph.D. thesis was to calibrate and validate the integrated mechanistic model BIO_ALGAE with experimental data obtained from the cultivation of marine microalgae in aquaculture wastewater. This model includes crucial physical and biokinetic processes to simulate microalgae growth in wastewater, and in a different type of photobioreactors. BIO_ALGAE was used to understanding the slight diurnal variations, which could have not been detected with experimental samples. Preliminary respirometric tests were carried out on the microalgal-bacterial suspension. These respirometric outputs were compared with process rates affecting dissolved oxygen dynamics computed by the mathematical model. In the experimental part of this thesis project, the productivity and capacity in the bioremediation of three marine microalgae species, Tetraselmis suecica, Dunaliella tertiolecta and Isochrysis galbana was investigated and compared. Wastewater generated during the production of grey mullet (Mugil cephalus) and sea bream (Sparus aurata) was used as culture medium. The experiments were conducted in batch and in semi-continuous conditions using column photobioreactors with differents volumes. It is known that under different stress conditions, the microalgae produce bioactive compounds, therefore, aquaculture wastewater was used as substitute synthetic cultivation medium to test the production of lipids, proteins, and carbohydrates in the microalgal biomass. Moreover, these species were cultivated in unsterilized culture media, and this reduces energy consumption, costs, and efforts. This study confirms the potential to employ Tetraselmis suecica in an Integrated Multi-Trophic Aquaculture system for biomass production and bioremediation of wastewater and identifies Dunaliella tertiolecta as another valid candidate species. T. suecica was therefore selected for the validation of BIO_ALGAE model. For the first time, BIO_ALGAE model was applied in aquaculture system and highlights a good agreement between experimental data and simulations. This model has proved to be an efficient tool to understand microalgae production in aquaculture wastewater treatment and to simulate the dynamics of different conditions in closed photobioreactors. Indeed, BIO_ALGAE describes the factors that influence microalgae growth and this is a useful approach to predict microalgal biomass with the optimization of the operating conditions.

En el campo de la acuicultura, la principal aplicación de las microalgas es la nutrición animal, en la que se pueden usar como un componente no procesado o como material seco para la preparacion de pienso. Además, las microalgas pueden tener el potencial de asimilar los principales nutrientes disueltos en las aguas residuales de la acuicultura y, por lo tanto, pueden ayudar en el tratamiento y al mismo tiempo producir biomasa de alto valor comercial. Debido a la variabilidad de estas aguas residuales, no es fácil predecir la producción de microalgas, pero los modelos matemáticos podrían ofrecer la posibilidad de estudiar el crecimiento de las microalgas en diferentes condiciones. Los modelos matemáticos, se han utilizado para simular la productividad de algas y la eficiencia de eliminación de nutrientes en medios sintéticos y en aguas residuales urbanas, mientras que, en lo que respecta a las aguas residuales de acuicultura, todavía no se ha implementado ni calibrado un modelo matemático. El principal resultado de la presente tesis doctoral fue calibrar y validar el modelo mecanístico integrado, BIO_ALGAE, con datos experimentales obtenidos del cultivo de microalgas marinas en aguas residuales de acuicultura. Este modelo incluye procesos físicos y bioquinéticos cruciales para simular el crecimiento de microalgas en aguas residuales y diferentes fotobiorreactores. BIO_ALGAE se utilizó para comprender las variaciones diurnas, que no se pudieron detectar con muestras experimentales. Se llevaron a cabo pruebas respirométricas preliminares en la suspensión microalgas-bacterias. Los datos de salida de la respirométria se compararon con las tasas de proceso que afectan la dinámica del oxígeno disuelto obtenidas por el modelo matemático. En la parte experimental de este proyecto de tesis, se investigó y comparó la productividad y la capacidad en la biorremediación de tres especies de microalgas marinas, Tetraselmis suecica, Dunaliella tertiolecta y Isochrysis galbana. Como medio de cultivo se utilizaron las aguas residuales generadas durante la producción de salmonete (Mugil cephalus) y dorada (Sparus aurata). Los experimentos se realizaron en condiciones ¿batch¿ y semi-continuas utilizando fotobiorreactores de columna con diferentes volúmenes. Se sabe que bajo diferentes condiciones de estrés, las microalgas producen compuestos bioactivos, por lo tanto, las aguas residuales de la acuicultura se utilizaron como medio de cultivo sintético sustituto para probar la producción de lípidos, proteínas y carbohidratos en la biomasa de microalgas. Además, estas especies se cultivaron en medios de cultivo no esterilizados, y esto reduce el consumo de energía, los costos y los esfuerzos de producción. Este estudio confirma la posibilidad de emplear Tetraselmis suecica y Dunaliella tertiolecta en un sistema integrado de acuicultura multitrófica para la producción de biomasa y biorremediación de aguas residuales, sin embargo, Tetraselmis suecica demostró mayor eficiencia de remoción de nutrientes y mayor crecimiento. Por lo tanto, se seleccionó T. suecica para la validación del modelo BIO_ALGAE. Por primera vez, el modelo BIO_ALGAE se aplicó en el sistema de acuicultura y destaca un buen acuerdo entre los datos experimentales y las simulaciones. Este modelo ha demostrado ser una herramienta eficiente para comprender la producción de microalgas en el tratamiento de aguas residuales de acuicultura y para simular la dinámica de diferentes condiciones en fotobiorreactores cerrados. De hecho, BIO_ALGAE describe los factores que influyen en el crecimiento de las microalgas y este es un enfoque útil para predecir la biomasa de microalgas con la optimización de las condiciones operativas.