Βιομετατροπές γεωργικών παραπροϊόντων σε αποτοξικοποιημένα παράγωγα και εδώδιμη βιομάζα με τη χρήση επιλεγμένων στελεχών βασιδιομυκήτων

Abstract

The agricultural industry produces every year a huge amount of by-products generated from the processing of primary products and raw materials. The effective management of the resulting residues constitutes a great environmental challenge for both the industry and scientific community.The use of saprotrophic fungi, which are able to decompose lignin, cellulose and hemicellulose through the production of oxidative enzymes, offers a potent solution in the management of lignocellulosic waste. Furthermore, the presence of carbon sources and nutrients in these materials provide suitable conditions for the development of microorganisms, and therefore permit the bio-transformation of agro-industrial and forest residues into edible biomass under solid-state fermentation (SSF) conditions. In particular, the SSF process is suitable for the production of edible or/and medicinal mushrooms of high organoleptic and nutritional characteristics. Additionally, mushrooms contain bioactive ingredients that have been associated with anticancer, antidiabetic, anti-inflammatory, immunomodulatory and other health-beneficial properties.In the frame of this Thesis, the cultivation process of several edible and medicinal mushrooms was evaluated, in terms of growth performance and yield, through the biotransformation of lignocellulosic residues. The intraspecific variability of Pleurotus osrteatus, one of the most-widely cultivated mushrooms, was initially assessed in respect to cultivation parameters and mushroom quality aspects by using 16 different strains under identical conditions (substrate, environmental conditions). P. ostreatus strains demonstrated a significant intra-variability/heterogeneity both in cultivation parameters (yield, biological efficiency, productivity etc.) and in bioactive compounds content (e.g. sterols, glucans, antioxidants etc.) by showing a strong dependence on intrinsic/genetic factors. Results also contributed at selecting P. ostreatus strains for use in subsequent experiments. Production of P. ostreatus and Cyclocybe cylindracea mushrooms on nine different lignocellulosic by-products was then investigated while the effect of substrates on mushrooms composition was also assessed. The highest biological efficiency was noted with substrates containing olive oil mill or winery by-products for both species examined. Furthermore, significant differences were observed in crude composition of mushrooms produced in different media.Consequently, this study focused on the evaluation of winery residues (grape marc) and olive oil by-products as substrates for the cultivation of eight species of the genera5Pleurotus, Cyclocybe, Hericium and Ganoderma. Results demonstrated that the use of these substrates (in mixtures with materials ordinarily used in conventional cultivation, e.g. wheat straw) not only improves mushroom productivity, but it also highly increase mushrooms content in bioactive components. Furthermore, the reduction of fibrous components in spent cultivation substrates facilitates their subsequent management without requiring additional processing.At a further stage, a large number of basidiomycetes (white-rot fungi) were comparatively examined as regards the detoxification of olive mill wastewater (OMW), and the most efficient were selected to study OMW’s degradation and the role of ligninolytic enzymes produced in the respective process. In addition to the high reduction of OMW phenolics content, colour and toxicity, encouraging results were also obtained when crude enzyme extracts were used from the cultivation of Abortiporus biennis under optimized conditions.Finally, preliminary studies were performed aiming at examining the effect of biotreated two-phase olive mill waste on vegetable crops; results demonstrated that the final product could be used both as substrate for the germination of tomato and lettuce seeds, and the growth of lettuce plants, contributing thus to the reduction in applications of chemical fertilizers and to the valorization of olive oil by-products.

Η αξιοποίηση αγροβιομηχανικών αποβλήτων και υπολειμμάτων αποτελεί σημαντική πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα, ιδιαίτερα αν ληφθούν υπόψιν η αφθονία και η εποχικότητα της παραγωγής καθώς και οι φυσικοχημικές ιδιότητες (και ως εκ τούτου η δυσκολία στην επεξεργασία) τους. Η χρήση μακρομυκήτων, οι οποίοι αναπτύσσονται στη φύση σαπροτροφικά εκκρίνοντας συγκεκριμένα οξειδωτικά ένζυμα για την αποδόμηση της λιγνίνης, των ημικυτταρινών και της κυτταρίνης, μπορεί να προσφέρει λύσεις για την ολοκληρωμένη διαχείριση τέτοιων υλικών. Αξίζει να σημειωθεί, ότι οι εν λόγω μικροοργανισμοί αποδεικνύονται ιδιαίτερα αποδοτικοί στη βιομετατροπή διαφόρων γεωργικών, αγροβιομηχανικών και δασικών παραπροϊόντων σε εδώδιμη βιομάζα. Η συγκεκριμένη διαδικασία συνιστά μια ελεγχόμενη ζύμωση στερεάς φάσης που οδηγεί στην παραγωγή εδώδιμων ή/και φαρμακευτικών μανιταριών, παρέχοντας κατ’ αυτό τον τρόπο, τρόφιμα υψηλής οργανοληπτικής και διαιτητικής αξίας. Επιπροσθέτως, τα βιοδραστικά συστατικά που περιέχουν έχει αποδειχθεί ότι σχετίζονται με αντικαρκινικές, αντιδιαβητικές, αντιφλεγμονώδεις, ανοσορυθμιστικές και άλλες ευεργετικές για την ανθρώπινη υγεία ιδιότητες.Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκαν εργασίες οι οποίες συνδέονται ευθέως με τους στόχους που προαναφέρθηκαν και μπορούν να ομαδοποιηθούν σε δύο επιμέρους ενότητες. Η πρώτη, αναφέρεται στη βιομετατροπή λιγνοκυτταρινούχων υπολειμμάτων με τη χρήση επιλεγμένων βασιδιομυκήτων για την παραγωγή εδώδιμων – φαρμακευτικών μανιταριών. Αρχικά μελετήθηκε η ενδοειδική ποικιλότητα που εμφανίζει το Pleurotus ostreatus, δηλαδή ένα από τα πιο ευρέως καλλιεργούμενα είδη μανιταριών, όσον αφορά στις καλλιεργητικές παραμέτρους και επιλεγμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά των μανιταριών που παράγονται υπό όμοιες συνθήκες (υπόστρωμα, περιβαλλοντικές παράμετροι ανάπτυξης). Ανάμεσα στα 16 στελέχη που εξετάστηκαν διαπιστώθηκε μεγάλο εύρος στις τιμές παραμέτρων που σχετίζονται με την αποδοτικότητα της καλλιέργειας αλλά και την περιεκτικότητα των βιοδραστικών συστατικών. Τα εν λόγω αποτελέσματα συνέβαλαν και στην επιλογή συγκεκριμένων στελεχών P. ostreatus προς αξιολόγηση σε επόμενα πειράματα. Ακολούθως, διερευνήθηκε η παραγωγή μανιταριών σε μεγάλο εύρος διαφορετικών λιγνοκυτταρινούχων παραπροϊόντων χρησιμοποιώντας δύο είδη βασιδιομυκήτων (P. ostreatus και Cyclocybe cylindracea) όπως και η επίδραση που τα συγκεκριμένα υποστρώματα παρουσιάζουν στη σύσταση των καρποφοριών. Σχετικά με τη βιολογική αποδοτικότητα της καλλιεργητικής διαδικασίας, ξεχώρισαν τα υποστρώματα που2περιείχαν παραπροϊόντα οινοποιίας και ελαιοκομίας και για τα δύο είδη βασιδιομυκήτων, ενώ παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές στη βασική σύσταση των μανιταριών που αναπτύχθηκαν σε διαφορετικά υλικά. Συν τοις άλλοις, η χρήση μεγάλου εύρους υποστρωμάτων έδωσε τη δυνατότητα για τη μελέτη της επίδρασης των επιμέρους συστατικών του υποστρώματος τόσο στις καλλιεργητικές παραμέτρους όσο και στη σύσταση των μανιταριών.Στη συνέχεια, η παρούσα μελέτη εστίασε στην αξιολόγηση υπολειμμάτων οινοποιίας και αποβλήτων-παραπροϊόντων ελαιουργίας και ελαιοκομίας ως προς την καταλληλότητα τους να υποστηρίξουν την καλλιέργεια διαφορετικών ειδών βασιδιομυκήτων (οκτώ είδη από τα γένη Pleurotus, Cyclocybe, Hericium και Ganoderma). Σε όλες τις περιπτώσεις, αποδείχθηκε ότι τα παραπάνω υπολείμματα μπορούν (σε κατάλληλες αναλογίες με υλικά που χρησιμοποιούνται στη συμβατική καλλιέργεια) όχι μόνο να βελτιώσουν την απόδοση σε παραγόμενα μανιτάρια, αλλά να αυξήσουν σημαντικά τη συγκέντρωση συγκεκριμένων βιοδραστικών συστατικών, σημαντικών για την ανθρώπινη υγεία. Επιπλέον, η μείωση των δύσκολα αποδομήσιμων συστατικών στα εξαντλημένα υποστρώματα της καλλιέργειας, επιτρέπει την εύκολη διαχείριση τους χωρίς να απαιτείται επιπλέον επεξεργασία τους.Η δεύτερη ενότητα περιλαμβάνει τη διαχείριση υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου (ΥΑΕ) με τη χρήση μυκήτων λευκής σήψης. Αρχικά, εξετάστηκε μεγάλο πλήθος διαφορετικών ειδών βασιδιομυκήτων όσον αφορά στην αποτοξικοποίηση ΥΑΕ και στη συνέχεια τα αποδοτικότερα από αυτά χρησιμοποιήθηκαν περαιτέρω για να αποσαφηνιστεί ο ρόλος των ενζύμων που εκκρίνουν στη διαδικασία βιοαποδόμησης. Εκτός από την υψηλή μείωση των ρυπαντικών παραμέτρων των ΥΑΕ μετά την ανάπτυξη των αποδοτικότερων μυκητιακών στελεχών, πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα σημειώθηκαν και με την χρήση εκχυλισμάτων ενζύμων που προήλθαν από την καλλιέργεια του μύκητα Abortiporus biennis υπό βελτιστοποιημένες συνθήκες. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν προκαταρκτικές δοκιμές αξιοποίησης βιοεπεξεργασμένου αποβλήτου ελαιοτριβείου στην παραγωγή οργανικών εδαφοβελτιωτικών και αξιολογήθηκε η εφαρμογή του σε καλλιέργεια κηπευτικών, αποδεικνύοντας ότι το τελικό προϊόν θα μπορούσε να εφαρμοστεί τόσο ως υπόστρωμα για τη βλάστηση σπόρων ντομάτας και μαρουλιού όσο και ανάπτυξης φυτών μαρουλιού, μειώνοντας τη χρήση χημικών λιπασμάτων και συμβάλλοντας στην περαιτέρω αξιοποίηση των ελαιουργικών παραπροϊόντων.