12.3.1 Background

Microalgae ni photoautotrophs ya unicellular (kuanzia 0.2 μm hadi 100 μm) na huwekwa katika makundi mbalimbali ya taxonomic. Mikroalgae inaweza kupatikana katika mazingira mengi lakini hupatikana zaidi katika mazingira ya majini. Phytoplankton ni wajibu kwa zaidi ya 45% ya uzalishaji wa msingi duniani kama vile kuzalisha zaidi ya 50% ya anga Osub2/Sub. Kwa ujumla, hakuna tofauti kubwa katika usanisinuru wa mimea ya microalgae na ya juu (Deppeler et al. 2018). Hata hivyo, kutokana na ukubwa wao mdogo na kupungua kwa idadi ya organelles ya ndani ya ushindani wa kisaikolojia, microalgae inaweza kukua kwa kasi zaidi kuliko mimea ya juu (Moheimani et al. 2015). Microalgae pia inaweza kukua chini ya hali ndogo ya virutubisho na kuwa na uwezo wa kukabiliana na hali mbalimbali ya mazingira (Gordon na Polle 2007). Muhimu zaidi, utamaduni wa mikroalgal haushindani na uzalishaji wa mazao ya chakula kuhusu ardhi ya kilimo na maji safi (Moheimani et al. 2015). Zaidi ya hayo, microalgae inaweza kutumia kwa ufanisi virutubisho isokaboni kutokana na taka taka taka (Ayre et al. 2017). Kwa ujumla, microalgal biomass ina hadi 50% carbon kuwafanya mgombea kamili kwa ajili ya bioremediating anga COSub2/Sub (Moheimani et al. 2012).

Kuongezeka kwa kilimo kikubwa duniani kote na kilimo cha wanyama kumesababisha ongezeko kubwa la nitrojeni na fosforasi zinazopatikana biologically kuingia biosphere duniani (Galloway et al. 2004). Mifumo ya mazao na mifugo na mifumo ya maji taka huchangia kiasi kikubwa katika mizigo hii ya virutubisho (Schoumans et al. 2014). Kupenya kwa virutubisho hivi ndani ya mito ya maji kunaweza kusababisha masuala makubwa ya mazingira kama vile blooms ya algali yenye madhara na vifo vingi vya samaki. Kwa mfano, nchini Marekani, uchafuzi wa virutubisho kutoka kilimo unakubaliwa kama moja ya vyanzo vikuu vya eutrophication (Sharpley et al. 2008). Kudhibiti mtiririko wa virutubisho kutokana na shughuli za kilimo katika mazingira ya jirani husababisha changamoto zote za kiufundi na kiuchumi ambazo lazima zishindwe ili kupunguza madhara hayo. Kumekuwa na michakato mbalimbali ya mafanikio yaliyotengenezwa ili kutibu taka ya taka na mizigo ya juu ya kikaboni. Hata hivyo, karibu njia hizi zote hazifanyi kazi sana katika kuondoa vipengele vya isokaboni kutoka kwa maji. Aidha, baadhi ya njia hizi ni ghali badala ya kufanya kazi. Njia moja rahisi ya kutibu taka ya kikaboni ni digestion ya anaerobic (AD). Mchakato wa AD unaeleweka vizuri na unapoendeshwa kwa ufanisi, unaweza kubadilisha zaidi ya 90% ya mambo ya kikaboni ya maji machafu kwa bio-methane na COSub2/Sub (Parkin na Owen 1986). Methane inaweza kutumika kuzalisha umeme na joto linalozalishwa linaweza kutumika kwa madhumuni mbalimbali ya ziada. Hata hivyo, mchakato wa AD matokeo katika kujenga anaerobic digestion effluent (ADE) ambayo ni tajiri sana katika phosphate isokaboni na nitrojeni pamoja na COD high (carbon oksijeni mahitaji). Katika maeneo fulani, majivu haya yanaweza kutibiwa kwa kutumia microalgae na macroalgae (Ayre et al. 2017).

12.3.2 Mifumo ya Ukuaji wa Algal

Tangu kamati ya Umoja wa Mataifa ilipendekeza kuwa mazao ya kawaida ya kilimo yameongezewa na vyakula vya juu vya protini vyenye asili isiyo ya kawaida, microalgae wamekuwa wagombea wa asili (Richmond na Becker 1986). Kilimo cha kwanza cha microalgal kilipatikana ingawa mwaka 1890 kwa kulima\ Chlorella vulgaris (Borowitzka 1999). Kutokana na ukweli kwamba microalgae kawaida hugawanyika wakati fulani wa siku, neno cyclostat lilianzishwa ili kuanzisha mzunguko wa mwanga/giza (sikadiani) kwenye utamaduni (Chisholm na Brand 1981). Kilimo cha largescale cha mikroalgae na matumizi ya sehemu ya biomasi yake hasa kama msingi kwa bidhaa fulani kama vile lipidi pengine kilianza kwa umakini mapema mwaka 1953 kwa lengo la kuzalisha chakula kutoka utamaduni mkubwa wa *Chlorella\ * (Borowitzka 1999). Kwa kawaida, mwani anaweza kukuzwa katika kioevu kwa kutumia mabwawa wazi (Borowitzka na Moheimani 2013), photobioreactors zilizofungwa (Moheimani et al. 2011), au mchanganyiko wa mifumo hii. Alga pia inaweza kukuzwa kama biofilms (Wijihastuti et al. 2017).

Ilifungwa Photobioreactors** (baada ya Moheimani et al. 2011): Tamaduni zilizofungwa za algal (photobioreactors) hazipo wazi kwa anga lakini zimefunikwa na nyenzo za uwazi au zilizomo ndani ya neli za uwazi. Photobioreactors wana faida tofauti ya kuzuia uvukizi. Photobioreactors zilizofungwa na nusu zinatumiwa hasa kwa kuzalisha bidhaa za algal za thamani kubwa. Kutokana na gharama ya jumla ya matumizi ya uendeshaji (OPEX) na matumizi ya mji mkuu (CAPEX), photobioreactors imefungwa ni chini ya kiuchumi kuliko mifumo ya wazi. Kwa upande mwingine, kuna uchafuzi mdogo na hasara ndogo ya COSub2/ndogo, na kwa kuunda hali ya kilimo cha kuzaa na kubadilika katika kubuni kiufundi, hii inawafanya kuwa mbadala nzuri kwa mabwawa ya wazi. Baadhi ya udhaifu wa mifumo iliyofungwa inaweza kuondokana na (a) kupunguza njia nyepesi, (b) kutatua ugumu wa shear (turbulence), kupunguza viwango vya oksijeni, na (c) mfumo wa kudhibiti joto. Photobioreactors imefungwa hasa kugawanywa katika (a) carboys, (b) tubular, (c) airlift na (d) photobioreactors sahani.

Fungua Mabwawa (baada ya Borowitzka na Moheimani 2013): Mabwawa ya wazi hutumiwa kwa kilimo kikubwa cha nje cha microalgal. Meja mwani uzalishaji wa kibiashara ni msingi katika njia wazi (raceways) ambayo ni chini ya gharama kubwa, rahisi kujenga na kufanya kazi ikilinganishwa na photobioreactors imefungwa. Aidha, ukuaji wa microalgae hukutana na shida ndogo katika mifumo ya kilimo iliyofungwa. Hata hivyo spishi chache tu za mikroalgae (k.m. Dunaliella salina, Spirulina sp., Chlorella sp.) zimepandwa kwa mafanikio katika mabwawa ya wazi. Commercial microalgal gharama za uzalishaji ni ya juu, takribani kuwa kati ya 4 na 20\ $Marekani/Gsup-1/Sup. Largescale nje wazi bwawa kibiashara microalgal utamaduni ina maendeleo zaidi ya miaka 70 iliyopita, na wote bado (unstirred) na kuchafuka mabwawa kuwa maendeleo na kuwa kutumika kwa misingi ya kibiashara. Mabwawa makubwa sana yaliyofunguliwa yanajengwa tu kutoka kwa mabwawa ya maji ya asili na vitanda vya wazi ambavyo huwa chini ya 0.5 m kwa kina. Katika mabwawa madogo madogo uso unaweza kuunganishwa na karatasi za plastiki za bitana. Mabwawa ya wazi yasiyopigwa yanawakilisha mbinu za utamaduni wa kibiashara na zimetumika kibiashara kwa ajili ya uzalishaji wa Dunaliella salina β-carotene nchini Australia. Mabwawa hayo ni mdogo hasa kwa kukua microalgae ambayo yana uwezo wa kuishi katika hali duni au kuwa na faida ya ushindani inayowawezesha outgrow uchafu kama vile protozoa, microalgae zisizohitajika, virusi, na bakteria. Mabwawa kuchafuka kwa upande mwingine kuwa na faida ya serikali kuchanganya. Mabwawa mengi kuchafuka ni ama (a) mabwawa ya mviringo na fitators kupokezana au (b) moja au kujiunga na mabwawa ya raceway.

Mabwawa ya kilimo ya mviringo yametumika hasa kwa kilimo kikubwa cha mikroalgae hasa katika Asia ya Kusini Mashariki. Mabwawa ya mviringo hadi mduara wa meta 45 na kwa kawaida 0.3—0.7 m kwa kina hufunuliwa, lakini kuna baadhi ya mifano ambayo hufunikwa na domes za kioo. Shear ya chini inasisitiza ambayo inahitajika kwa ajili ya uzalishaji wa microalgae huzalishwa katika mifumo hii hasa katikati ya bwawa, na hii ni faida tofauti ya mifumo hii. Baadhi ya hasara ni pamoja na miundo ya gharama kubwa ya saruji, matumizi yasiyofaa ya ardhi na nyayo kubwa, matatizo katika kudhibiti harakati ya kifaa cha kutisha na gharama iliyoongezwa katika kusambaza COSub2/Sub.

Raceways inayotokana na paddlewheel ni mfumo wa kawaida wa kilimo cha microalgal. Raceways ni kawaida yalijengwa katika aidha channel moja au kama njia wanaohusishwa. Raceways kawaida kina (0.15 hadi 0.25 m kirefu), hujengwa kwa kitanzi na kwa kawaida hufunika eneo la takriban 0.5 hadi 1.5 ha. Raceways hutumiwa zaidi na kupendekezwa kwa utamaduni mkubwa wa kibiashara wa aina tatu za microalgae ikiwa ni pamoja na Chlorella, Spirulina na Dunaliella. Hatari kubwa ya uchafuzi na uzalishaji mdogo, kutokana na hali mbaya ya kuchanganya na kupenya kwa mwanga, ni hasara kuu za mifumo hii ya wazi. Katika raceways, viwango vya majani ya hadi 1000 mg uzito kavu.Lsup-1/sup na uzalishaji wa 20 g uzito kavu.msup2/sup.dsup-1/sup vimeonyeshwa kuwa inawezekana.

Bei ya uzalishaji wa microalgal hufanya mafanikio ya kiuchumi yanategemea sana uuzaji wa bidhaa za gharama kubwa na za kipekee, ambazo mahitaji ni ya kawaida. Raceways pia ni mfumo wa kilimo unaotumika zaidi kwa kutibu maji machafu (Mbuga na Craggs 2010).

Ukulima imara (baada ya Wijihastuti et al. 2017): Njia mbadala ya kilimo cha microalgal ni immobilization seli katika tumbo la polymer au kuziunganisha kwenye uso wa msaada imara (biofilm). Kwa ujumla, mavuno ya biomass ya tamaduni hizo za majani ni angalau 99% zaidi ya kujilimbikizia kuliko tamaduni za kioevu. Kunyunyizia maji ni moja ya sehemu za gharama kubwa na za nishati za uzalishaji wowote wa algal. Faida kuu ya ukuaji wa biofilm ni uwezo wa kupunguza mchakato wa kumwagilia maji na matumizi ya nishati yanayohusiana na hivyo gharama. Kilimo cha biofilm kinaweza pia kuongeza ukamataji wa mwanga wa mkononi, kupunguza msongo wa mazingira (k.mf. pH, chumvi, sumu ya chuma, mnururisho wa juu sana), kupunguza gharama za uzalishaji na kupunguza matumizi ya virutubisho. Mbinu za kilimo za msingi zinaweza kutumika kwa kutibu maji machafu (kuondolewa kwa virutubisho na chuma). Kuna mbinu tatu kuu za kilimo cha biofilm: (a) 100% iliyoingia moja kwa moja katikati, (b) sehemu iliyoingia katikati na (c) kwa kutumia substrate ya porous ili kutoa virutubisho na unyevu kutoka katikati hadi seli.

12.3.3 Mahitaji ya Ukuaji wa Algal

Vipengele vingi vya kimwili, kemikali na kibaiolojia vinaweza kuzuia uzalishaji mkubwa wa microalgal. Hizi ni ilivyoelezwa katika Jedwali 12.1.

Maarifa ya msingi ya mapungufu muhimu ya ukuaji pengine ni jambo muhimu zaidi kabla ya kutumia microalgae yoyote kwa mchakato wowote. Mwanga ni kwa sababu muhimu zaidi inayoathiri ukuaji wa alga yoyote. Joto pia ni sababu muhimu kwa uzalishaji wa wingi wa algal (Moheimani na Parlevliet 2013). Hata hivyo, vigezo hivi ni vigumu kudhibiti (Moheimani na Parlevliet 2013). Karibu na mwanga na joto, virutubisho ni kikwazo muhimu zaidi kinachoathiri ukuaji wa alga yoyote (Moheimani na Borowitzka 2007) na kila aina ya microalgal huelekea kuwa na mahitaji yake ya virutubisho bora. Virutubisho muhimu zaidi ni nitrojeni, fosforasi na kaboni (Oswald 1988). Wengi

meza tbody tr Sababu za Thabiotic/th td Mwanga (ubora, wingi) /td /tr tr darasa=“isiyo ya kawaida” cutetd td Joto /td /tr tr darasa=“hata” cutetd td Mkusanyiko wa virutubisho /td /tr tr darasa=“isiyo ya kawaida” cutetd td OSU2/sub /td /tr tr darasa=“hata” cutetd td CoSub2/sub na pH /td /tr tr darasa=“isiyo ya kawaida” cutetd td Salinity /td /tr tr darasa=“hata” cutetd td Kemikali za sumu /td /tr tr darasa=“isiyo ya kawaida” Sababu za Thbiotic/th td Pathogens (bakteria, fungi, virusi) /td /tr tr darasa=“hata” cutetd td Ushindani na mwani wengine /td /tr tr darasa=“isiyo ya kawaida” Sababu za uendeshaji/th td Shear zinazozalishwa kwa kuchanganya /td /tr tr darasa=“hata” cutetd td Kiwango cha dilution /td /tr tr darasa=“isiyo ya kawaida” cutetd td Kina /td /tr tr darasa=“hata” cutetd td Mzunguko wa mavuno /td /tr tr darasa=“isiyo ya kawaida” cutetd td Ongezeko la bicarbonate /td /tr /tbody /meza

Jedwali 12.1 Mipaka ya ukuaji na uzalishaji wa microalgae (Moheimani na Borowitzka 2007)

mwani hujibu N-upeo kwa kuongeza maudhui yao ya lipid (Moheimani 2016). Kwa mfano, Shifrin na Chisholm (1981) waliripoti kwamba katika aina 20 hadi 30 za microalgae ambazo walichunguza, mwani waliongeza maudhui yao ya lipid chini ya N-kunyimwa. Phosphorus pia ni virutubisho muhimu zinazohitajika kwa ajili ya ukuaji microalgal kama ina jukumu muhimu katika metaboli kiini na kanuni, kuwa kushiriki katika uzalishaji wa Enzymes, phospholipids na misombo ya kusambaza nishati (Smith 1983). Uchunguzi wa Brown na Button (1979) juu ya kijani alga Selenastrum capricornutum ulionyesha kiwango cha juu cha ukuaji wakati mkusanyiko wa phosphate wa kati ulikuwa chini kuliko 10 nm. Cosub2/Sub pia ni virutubisho muhimu kwa ajili ya kufikia high algal tija (Moheimani 2016). Kwa mfano, ikiwa Cosub2/sub ya ziada haijaongezwa kwenye utamaduni wa algal, uzalishaji wa wastani unaweza kupunguzwa hadi 80% (Moheimani 2016). Hata hivyo, kuongeza kwa COSub2/Sub kwa mabwawa ya algal ni badala ya gharama kubwa (Moheimani 2016). Njia ya kiuchumi zaidi ya kuanzisha COSU2/Sub kwa vyombo vya habari vya utamaduni ni uhamisho wa moja kwa moja wa gesi ndani ya vyombo vya habari kwa kuvuta kupitia mawe ya porous yaliyotengenezwa au kutumia mabomba chini ya karatasi za plastiki zilizojaa kama injectors ya Cosub2/sub (Moheimani 2016). Kwa bahati mbaya, katika njia zote hizi bado kuna hasara kubwa ya COSU2/SUB kwa anga kwa sababu ya muda mfupi wa kuhifadhi wa Bubbles za gesi katika kusimamishwa kwa algal.

Ingawa kuongeza N, P na C ni muhimu, virutubisho vingine pia huathiri ukuaji wa microalgal na kimetaboliki. Ukosefu wa virutubisho vingine, kama vile manganese (Mn) na cations nyingine mbalimbali (MgSup2+/sup, Ksup+/sup na Casup2+/Sup), pia inajulikana kupunguza ukuaji wa algali (Droop 1973). Vipengele vya kufuatilia pia ni muhimu kwa ukuaji wa microalgal na baadhi ya microalga pia huhitaji vitamini kwa ukuaji wao (Croft et al. 2005). Njia moja yenye ufanisi na ya gharama nafuu ya kusambaza virutubisho ni kwa kuchanganya utamaduni wa algal na matibabu ya maji machafu ambayo hujadiliwa mara moja hapa chini.

12.3.4 Algae na Matibabu ya Maji machafu

Pamoja na ongezeko la kuzorota kwa mazingira na umuhimu mkubwa wa kuzalisha vyanzo mbadala vya chakula na nishati, kuna msukumo wa kuchunguza uwezekano wa matibabu ya maji machafu ya kibiolojia pamoja na kupona rasilimali. Matibabu ya maji machafu ya microalgal yamekuwa ya kuvutia hasa, kutokana na shughuli za photosynthetic za algal, ambapo mwanga huhamishiwa kwenye biomasi yenye faida. Chini ya hali fulani, maji machafu microalgal biomass inaweza kuwa sawa au bora katika uzalishaji wa majani kwa aina ya juu kupanda. Hivyo, mchakato unaweza kubadilisha bidhaa taka kuwa bidhaa muhimu (kwa mfano kulisha wanyama, kulisha maji, bio-mbolea na bioenergy). Hivyo, taka taka taka tena taka bidhaa, lakini inakuwa substrate thamani kwa ajili ya kuzalisha vitu muhimu na mafanikio microalgal maji machafu bioremediation imeripotiwa kwa zaidi ya nusu karne (Oswald na Gotass 1957; Delrue et al. 2016). Algal phytoremediation kweli hutoa ufumbuzi mazingira mazuri kwa ajili ya matibabu ya maji machafu kama inaweza kutumia virutubisho hai na isokaboni kwa ufanisi (Nwoba et al. 2017). Tamaduni za mikroalgal zina uwezo mkubwa wa hatua za baadaye za matibabu ya maji machafu, hasa kwa kupunguza ‘N’, ‘P’ na ‘COD’ (Nwoba et al. 2016). Aidha, uwezo ulioongezwa wa mikroalgae kukua kupitia hali tofauti za lishe kama vile hali ya photoautotrophic, mixotrophic na heterotrophic pia huongeza uwezo wake katika kuondoa aina mbalimbali za uchafuzi na kemikali kutokana na matrices yenye maji. Uwezo wa microalgae katika sequestrating kaboni (COSU2/SUB) inaruhusu COSU2/Sub bioremediation. Uhusiano synchronized algal-bakteria imara pia walau synergetic kwa bioremediation ya maji machafu (Munoz na Guieysse 2006). Kupitia usanisinuru, microalgae hutoa oksijeni inayotakiwa na bakteria ya aerobic kwa ajili ya utengenezaji madini wa viumbehai pamoja na oxidation ya NHsub4/subsup+/sup (Munoz na Guieysse 2006). Kwa kurudi, bakteria hutoa dioksidi kaboni kwa ukuaji wa microalgae, kwa kiasi kikubwa kupunguza kiasi cha oksijeni kinachohitajika kwa mchakato wa jumla wa matibabu ya maji machafu (Delrue et al. 2016). Kwa ujumla, majivu ya taka na uwiano wa chini wa kaboni hadi nitrojeni yanafaa kimsingi kwa ukuaji wa viumbe vya photosynthetic. Jambo muhimu zaidi, matibabu ya maji machafu ya ndani na ya kilimo ni chaguo la kuvutia kwani teknolojia ni rahisi na zinahitaji nishati ndogo sana ikilinganishwa na kiwango cha matibabu ya majivu. Uboreshaji wa matibabu ya maji machafu ya microalgal katika mabwawa makubwa ya raceway ni rufaa kwani unachanganya matibabu madhubuti ya bidhaa za taka na uzalishaji wa mimea yenye thamani ya protini yenye tajiri ya algal. Kielelezo 12.1 kinaelezea mfumo wa kitanzi uliofungwa kwa kutibu taka yoyote ya kikaboni kwa mchanganyiko wa digestion ya anaerobic na kilimo cha algal

12.3.5 Algae na Aquaponics

Microalgae katika ufugaji wa maji na katika mifumo ya aquaponic mara nyingi huonekana kuwa ni shida kwani wanaweza kuzuia mtiririko wa maji kwa kuziba mabomba, hutumia oksijeni,

mtini. 12.1 Integrated mchakato mfumo wa kutumia utamaduni mwani kwa ajili ya kutibu taka hai na uwezo watumiaji wa mwisho. (mchakato ni iliyoundwa kulingana na taarifa kutoka Ayre et al. 2017 na Moheimani et al. 2018)

inaweza kuvutia wadudu, kupunguza ubora wa maji na wakati kuharibika kunaweza kupungua oksijeni. Hata hivyo, majaribio ya Addy et al. (2017) inaonyesha kwamba mwani inaweza kuboresha ubora wa maji katika mfumo wa aquaponic, kusaidia kudhibiti pH matone kuhusiana na mchakato nitrification, kuzalisha oksijeni kufutwa katika mfumo, ‘kuzalisha polyunsaturated fatty kali kama ongezeko la thamani samaki kulisha na kuongeza utofauti na kuboresha ustahimilivu kwa mfumo. Moja ya ‘grails’ takatifu’ ya aquaponics ni kuzalisha angalau sehemu ya chakula kinacholishwa kwa samaki kama sehemu ya mfumo na hapa ni kwamba utafiti unahitajika katika kuzalisha mwani ambao unaweza kukua na sehemu ya maji ya aquaponics, pengine katika kitanzi tofauti, ambacho kinaweza kulishwa kama sehemu ya chakula kwa samaki.