การบำบัดแอมโมเนียจากน้ำเสียฟาร์มโคนมด้วยกระบวนการทางชีวภาพเพื่อผลิตชีวมวล  ไฟโคไซยานินและพอลิไฮดรอกซีบิวทิเรตจากไซยาโนแบคทีเรีย Arthrospira platensis

ฉันท์ชนก  ดวงศรี; ชลธิชา  รัตนมณี; ธีรพงษ์  ใจชาญสุขกิจ; อุเทน  พรมอริยะ

ผู้แต่ง

ฉันท์ชนก ดวงศรี คณะเทคโนโลยีการเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลสุวรรณภูมิ จังหวัดพระนครศรีอยุธยา https://orcid.org/0009-0006-7637-5732
ชลธิชา รัตนมณี คณะเทคโนโลยีการเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลสุวรรณภูมิ จังหวัดพระนครศรีอยุธยา https://orcid.org/0009-0001-6343-7512
ธีรพงษ์ ใจชาญสุขกิจ คณะเทคโนโลยีการเกษตรและอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลสุวรรณภูมิ จังหวัดพระนครศรีอยุธยา https://orcid.org/0009-0002-2155-5737
อุเทน พรมอริยะ คณะเทคนิคการสัตวแพทย์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จังหวัดกรุงเทพฯ https://orcid.org/0009-0002-2461-6929

คำสำคัญ:

น้ำเสียจากฟาร์มโคนม , การบำบัดแอมโมเนียทางชีวภาพ , Arthrospira platensis , ไฟโคไซยานินพอลิไฮดรอกซีบิวทิเรต

บทคัดย่อ

อุตสาหกรรมฟาร์มโคนมได้รับความนิยมอย่างมากในธุรกิจปศุสัตว์ อย่างไรก็ตาม น้ำเสียจากฟาร์มโคนมมีความเข้มข้นของแอมโมเนียในระดับสูงส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม โดยงานวิจัยนี้มีความสนใจการบำบัดแอมโมเนียด้วยวิธีชีวภาพโดยใช้ Arthrospira platensis ซึ่งเป็นไซยาโนแบคทีเรียที่ต้องการแหล่งไนโตรเจนเพื่อการเจริญเติบโตได้และสามารถสะสมสารชีวภาพหลายชนิด เช่น ไฟโคไซยานินและพอลิไฮดรอกซีบิวทิเรต (พีเอชบี) ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการบำบัดแอมโมเนียในน้ำเสียจากฟาร์มโคนม (Dairy Farm Wastewater; DFW) โดยใช้แอมโมเนียเป็นแหล่งไนโตรเจนและประเมินผลของการใช้แอมโมเนียต่อการผลิตชีวมวล ปริมาณไฟโคไซยานินและพีเอชบี ใน A. platensis การทดลองประกอบด้วยกลุ่มควบคุมที่ใช้อาหารสูตรมาตรฐาน Zarrouk และกลุ่มทดลองที่ใช้อาหารสูตรมาตรฐาน Zarrouk ผสมกับน้ำเสียฟาร์มโคนมในอัตราส่วน 25%, 50%, 75% และ 100% โดยใช้แผนการทดลองแบบสุ่มสมบูรณ์ ภายใต้สภาวะ 25%DFW พบการลดลงของปริมาณแอมโมเนียไนโตรเจนทั้งหมดเท่ากับ 99.65%(0.098±0.0033 mg/ml) (p<0.001) ปริมาณชีวมวลเท่ากับ 1.41±0.26 mg/ml และปริมาณไฟโคไซยานินเท่ากับ 0.104±0.008 mg/ml นอกจากนี้พบการสะสมของแกรนูลพีเอชบีในสภาวะ 25%DFW and 50%DFW เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมปศุสัตว์

เอกสารอ้างอิง

Ahmad, A., Bhat, S., & Gujar, T. P. (2019). Treatment and utilization of dairy industrial waste: A review. Journal of Cleaner Production, 234, 1052-1068.

Alava, D. D., Mello, P. C. D., & Wagener, K. (1997). The relevance of the CO2 partial pressure of sodium bicarbonate solutions for the mass cultivation of the microalga Spirulina. Journal of the Brazilian Chemical Society, 8, 447-450.

Ashour, M., Alprol, A. E., Heneash, A. M., Saleh, H., Abualnaja, K. M., Alhashmialameer, D. & Mansour, A. T. (2021). Ammonia bioremediation from aquaculture wastewater effluents using Arthrospira platensis NIOF17/003: Impact of biodiesel residue and potential of ammonia-loaded biomass as rotifer feed. Materials. 14(18): 5460

Bellver Catalá, M., Altamira Algarra, B., García Serrano, J., Ferrer Martí, I., & González Flo, E. (2024). Enhancing pigment production with cyanobacteria-rich microbiomes: Effect of light quality and exposure time. Algal Research, 83, Article 103726.

Bower, C. E., & Holm-Hansen, T. (1980). A salicylate-hypochlorite method for determining ammonia in seawater. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 37(5), 794-798.

Cao, J. S., Xu, R. Z., Luo, J. Y., Feng, Q., & Fang, F. (2022). Rapid quantification of intracellular polyhydroxyalkanoates via fluorescence techniques: A critical review. Bioresource Technology, 350, 126906.

Carvalho, J. C. M., Francisco, F. R., Almeida, K. A., Sato, S., & Converti, A. (2004). Cultivation of Arthrospira (Spirulina) platensis (Cyanophyceae) by fed-batch addition of ammonium chloride at exponentially increasing feeding rates. Journal of Phycology, 40(3), 589-597.

Chaiklahan, R., Chirasuwan, N., Loha, V., Tia, S., & Bunnag, B. (2018). Stepwise extraction of high-value chemicals from Arthrospira (Spirulina) and an economic feasibility study. Biotechnology Reports, 20, e00280.

Chen, Z., Qiu, S., Li, M., Zhou, D., & Ge, S. (2022). Instant inhibition and subsequent self-adaptation of Chlorella sp. toward free ammonia shock in wastewater: Physiological and genetic responses. Environmental Science & Technology, 56(13), 9641-9650.

Citi, V., Torre, S., Flori, L., Usai, L., Aktay, N., Dunford, N. T., Lutzu, G. A., & Nieri, P. (2024). Nutraceutical features of the phycobiliprotein C-phycocyanin: Evidence from Arthrospira platensis (Spirulina). Nutrients, 16(11), 1752.

Collos, Y., & Harrison, P. J. (2014). Acclimation and toxicity of high ammonium concentrations to unicellular algae. Marine Pollution Bulletin, 80(1-2), 8-23.

Diaconu, M., Soreanu, G., Balan, C. D., Buciscanu, I. I., Maier, V., & Cretescu, I. (2023). Study of Spirulina platensis (Arthrospira) development under the heavy metals influence, as a potential promoter of wastewater remediation. Water, 15(22), 3962.

Duangsri, C., Mudtham, N. A., Incharoensakdi, A., & Raksajit, W. (2020). Enhanced polyhydroxybutyrate (PHB) accumulation in heterotrophically grown Arthrospira platensis under nitrogen deprivation. Journal of Applied Phycology, 32, 3645-3654.

Elain, A., Le Fellic, M., Corre, Y. M., Le Grand, A., Le Tilly, V., Audic, J. L., & Bruzaud, S. (2015). Rapid and qualitative fluorescence-based method for the assessment of PHA production in marine bacteria during batch culture. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 31, 1555-1563.

Fernandes, R., Campos, J., Serra, M., Fidalgo, J., Almeida, H., Casas, A., Toubarro, D., & Barros, A. I. R. N. A. (2023). Exploring the benefits of phycocyanin: From Spirulina cultivation to its widespread applications. Pharmaceuticals, 16(4), 592.

Fernández-Rojas, B., Hernández-Juárez, J., & Pedraza-Chaverri, J. (2014). Nutraceutical properties of phycocyanin. Journal of functional foods, 11, 375-392.

Freire Balseca, D. A., Castro Reyes, K. S., & Maldonado Rodríguez, M. E. (2024). Optimization of an alternative culture medium for phycocyanin production from Arthrospira platensis under laboratory conditions. Microorganisms, 12(2), 363.

Gorenflo, V., Steinbüchel, A., Marose, S., Rieseberg, M., & Scheper, T. (1999). Quantification of bacterial polyhydroxyalkanoic acids by Nile red staining. Applied Microbiology and Biotechnology, 51, 765-772.

Hena, S., Znad, H., Heong, K. T., & Judd, S. (2018). Dairy farm wastewater treatment and lipid accumulation by Arthrospira platensis. Water Research, 128, 267-277.

Ismaiel, M. M. S., El-Ayouty, Y. M., & Piercey-Normore, M. E. (2016). Role of pH on antioxidants production by Spirulina (Arthrospira platensis). Brazilian Journal of Microbiology, 47, 298-304.

Langenfeld, N. J., Kusuma, P., Wallentine, T., Criddle, C. S., Seefeldt, L. C., & Bugbee, B. (2021). Optimizing nitrogen fixation and recycling for food production in regenerative life support systems. Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 8, 699688.

López-Sánchez, A., Silva-Gálvez, A. L., Aguilar-Juárez, Ó., Senés-Guerrero, C., Orozco-Nunnelly, D. A., Carrillo-Nieves, D., & Gradilla-Hernández, M. S. (2022). Microalgae-based livestock wastewater treatment (MbWT) as a circular bioeconomy approach: Enhancement of biomass productivity, pollutant removal and high-value compound production. Journal of Environmental Management, 308, 114612.

Markou, G., Vandamme, D., & Muylaert, K. (2014). Ammonia inhibition on Arthrospira platensis in relation to the initial biomass density and pH. Bioresource Technology, 166, 259-265.

Maza, L. R., Guevara, J. M., Gómez, B., Vega, B. A., Cortez, R., & Licet, B. (2017). Producción de pigmentos procedentes de Arthrospira maxima cultivada en fotobiorreactores. Revista Colombiana de Biotecnología, 19(1), 108-114.

Metin, U., & Altınbas, M. (2024). Evaluating ammonia toxicity and growth kinetics of four different microalgae species. Microorganisms, 12(8), 1542.

Olguín, E. J., Galicia, S., Mercado, G., & Pérez, T. (2003). Annual productivity of Spirulina (Arthrospira) and nutrient removal in a pig wastewater recycling process under tropical conditions. Journal of Applied Phycology, 15(2-3), 249-257.

Pulingam, T., Appaturi, J. N., Parumasivam, T., Ahmad, A., & Sudesh, K. (2022). Biomedical applications of polyhydroxyalkanoate in tissue engineering. Polymers, 14(11), 2141.

Richaud, C., Zabulon, G., Joder, A., & Thomas, J. C. (2001). Nitrogen or sulfur starvation differentially affects phycobilisome degradation and expression of the nblA gene in Synechocystis strain PCC 6803. Journal of Bacteriology, 183(10), 2989-2994.

Rodrigues, M. S., Ferreira, L. S., Converti, A., Sato, S., & Carvalho, J. C. M. D. (2010). Fed-batch cultivation of Arthrospira (Spirulina) platensis: Potassium nitrate and ammonium chloride as simultaneous nitrogen sources. Bioresource Technology, 101(12), 4491-4498.

Sapkota, S., Reza, A., & Chen, L. (2024). Optimization of ammonia nitrogen removal and recovery from raw liquid dairy manure using vacuum thermal stripping and acid absorption process: A modeling approach using response surface methodology. Nitrogen, 5(2), 409-425.

Sharma, I. (2020). Bioremediation techniques for polluted environment: concept, advantages, limitations, and prospects. In Trace metals in the environment-new approaches and recent advances. IntechOpen. London, 221-236.

Yutthanasirikul, R., Kurdrid, P., Saree, S., Senachak, J., Saelee, M., & Hongsthong, A. (2024). Increasing activity of the GS-GOGAT cycle highlights the compensation of N-assimilation in the absence of nitrogen and its metabolic effects in cyanobacteria. Algal Research, 79, 103490.