Αξιοποίηση υγρών απορροών μονάδων παραγωγής βιοαερίου μέσω καλλιέργειας φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών με σκοπό την παραγωγή βιοτεχνολογικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας

Abstract

The treatment of wastewater from the current economy sectors, such as agriculture activities, stockraising and the food industry, is a global concern. Large wastewater volumes, resulting from the increased market needs, require new ideas and sustainable technologies to mitigate environmental problems. Recent developments in biotechnology offer the opportunity to combine urban and industrial wastewater treatment processes with the cultivation of photosynthetic microorganisms for nutrient recovery and the simultaneous production of biotechnological products with high added value. Microalgae and cyanobacteria are rich in proteins, sugars, and lipids. Depending on the type of the microorganism and the cultivation conditions, valuable pigments, antioxidant phenolic components and other biopolymers, such as polyesters, are formed. Anaerobic digestion is a well-known method for waste treatment for biogas production and has been characterized as environmentally friendly. It can be applied on a large scale or locally in smaller plants. Despite the sufficient consumption of nutrients from the substrate during anaerobic digestion, significant amounts of digested residues, that need further treatment before disposal in natural habitats, are produced. In addition to the physicochemical methods of treating anaerobic effluent, biological processes are also evaluated to recover nutrients for biomass production and the bioremediation of this type of waste. The performance and sustainability of the biological systems regarding effluent management depends both on the quality characteristics of the waste and on the capabilities of the used microorganism. This thesis aimed to study species of microalgae and cyanobacteria, for which the literature so far did not provide sufficient data on their behavior in substrates containing anaerobic digestion effluents. Interest was focused on species, isolated from their natural habitat, and the comparison with known photosynthetic microorganisms in wastewater processing and/or the production of metabolic products. Locally isolated microalgae and cyanobacteria show easy adaptation to a wide range of environmental conditions and their robust cultures are promising for industrial application. The study of local species continuously complements the already existing knowledge about photosynthetic microorganisms providing data in the context of finding suitable strategies for the utilization of liquid digestates. Specifically, Chlorella vulgaris 211-11b (SAG, University of Göttingen), Chlorella sp. (isolated from its natural environment in Algeria), Phormidium sp. (isolated from a lagoon of Western Greece) and Chlorogloeopsis fritschii 1411-1a (SAG, University of Göttingen) were studied for the utilization of two types of digestate in batch photobioreactors. The cultures of the two Chlorella species were carried out in order to examine the assimilation of pollutants, organic carbon, nitrogen, and phosphorus, from the liquid digested residues with different initial ammonium nitrogen content. The different concentrations of ammonium nitrogen resulted after the physicochemical removal of gaseous ammonia and affected the biomass production and its fatty acid composition. The cultivation of Phormidium sp. in a synthetic medium and in a substrate of diluted digestate aimed to determine the effect of the light provided and the organic carbon concentration on the consumption of nutrients with the parallel production of the pigment, called phycocyanin. Finally, the cyanobacterium C. fritschii was evaluated in terms of the intracellular accumulation of poly-hydroxybutyrates through the consumption of acetic acid in pure artificial medium as well as in the anaerobic digestion effluent that came from agricultural residues treatment. Eukaryotic microalgae have recently been recognized as a promising alternative for the efficient treatment of the liquid fraction of digestates. However, to date, a widely applied microalgae-based process is still absent, due to several limitations, which arise from the high ammonia content and the turbidity, which hinder photosynthetic biomass production. In this context, the purpose of the first part of the study was to investigate the performance of two Chlorella strains (the SAG 211-11b strain and one isolated in a natural environment in Algeria). The two microalgae were cultivated in different ammonium concentration levels after physicochemical ammonia removal. The experiments were performed in cylindrical photobioreactors under controlled pH (7.8 ± 0.2) and temperature (25 ± 2 °C). The cultures were monitored for biomass production and nutrient removal. At the beginning of the stationary phase (day 12) and after cell maturation (day 24), the produced biomass was analyzed for its biochemical components. Chlorella sp. showed better adaptation and growth in liquid digestates than C. vulgaris 211-11b, resulting in 1.43 mg biomass L−1 versus 1.02 mg L−1 with 25 mg N-NH4+ L−1. The organic load consumption and nutrients removal differed between the two strains and appeared to be affected by the different initial conditions. Regarding biomass quality, high initial N-NH4+ concentration led to high protein content, while low nitrogen levels favored fatty acid accumulation and inhibited pigment production. In particular, protein content was determined at 45 % of the biomass dry weight in all experimental scenarios with sufficient nitrogen amounts, while fatty acids approached 20 % in the case of the growth with the lowest N-NH4+. The comparison of the two species and the study of the physicochemical stripping of ammonia combined with the biological treatment of anaerobic digestion effluents enriched the relevant literature. From this research work a new strain of the genus Chorella emerged, whose applications can be even more competing and profitable. As the biotechnological production of high-value products continues to generate research interest, even more photosynthetic microorganisms are being exploited for the synthesis of amino acids, fatty acids, pigments, and other biopolymers. Following the research study, the cyanobacterium Phormidium sp., isolated from a lagoon of Western Greece, was evaluated. for the production of the water-soluble pigment phycocyanin. Phycocyanin accumulation was favored by substrates with low organic load. Aiming to minimize substrate costs, the liquid fraction of the anaerobically digested agricultural residues was used. The use of the diluted digestate not only allowed Phormidium sp. to grow, but enhanced phycocyanin synthesis. The photobioreactors, provided with the lowest light intensity, showed increased phycocyanin accumulation (up to 2.5 % w/w) and resulted in a biomass concentration of 0.7 g L-1 regardless of the substrate type. When Phormidium sp. was inoculated into pure synthetic medium with 1 g glucose L-1, the phycocyanin concentration approached 10 mg L-1, while it was measured 1.75 times higher in the culture containing digestate, due to higher biomass production. Finally, providing higher light intensity to the cultures helped increase biomass accumulation and phycocyanin production, but did not improve cellular pigment content. The study of the locally isolated cyanobacterium proved the possibility of a sufficient digestate bioremediation and the simultaneous high added value pigments production. The optical characteristics of dark substrates can enhance phycocyanin production, improving the quality of usable light. Given the environmental burden of conventional petrochemical plastic materials, the third results’ section dealt with the accumulation of poly-hydroxybutyrates (PHB) in photosynthetic microorganisms. A number of 10 species were tested in mixotrophic cultures on synthetic substrate in the presence of acetic acid, however only 4 of them were able to present the product of interest. Among the 9 eukaryotic microalgae, the cyanobacterium C. fritschii 1411-1a stood out, which formed PHB up to 4 % of the biomass dry weight. After the screening process, C. fritschii was cultured in photobioreactors with synthetic substrate and medium consisting of 10 % anaerobic effluent. Biomass and biopolymer production in the presence and absence of acetic acid was evaluated. This particular cyanobacterium was able to proliferate on an artificial substrate and simultaneously synthesize PHB consuming organic carbon. Biomass of 8.3% PHB was recovered. Exploiting only the anaerobic effluent, C. fritschii accumulated PHB, which corresponded to 5.1 % of the dry cell mass. In addition, lowering the temperature of the cultures, from 35 oC to ambient temperature (25 oC), led to the synthesis of intracellular PHB (7.2 % w/w), while inhibiting biomass production. The elimination of the substrate cost combined with the optimization of PHB synthesis by the specific cyanobacterium could contribute to the sustainable production of bioplastics. In order to understand the results from the above experimental sections and to provide a complete commentary on them, mathematical modelling of the behavior of photosynthetic microorganisms was carried out. An attempt was made to describe the growth of the species to be studied in conjunction with the production of the desired products. In particular, for the Chlorella species, equations, which correlated initial substrate quality with final biomass production and fatty acid accumulation, were obtained. Regarding the cyanobacteria Phormidium sp. and C. fritschii, the mathematical models helped to explain the metabolic pathways towards phycocyanin and PHB accumulation respectively. In summary, cultures of photosynthetic microorganisms are an important factor in the treatment of effluents and nutrient recovery to produce biomass and high value-added metabolic products. The production of biofuels, pharmaceutical compounds and other biopolymers offers new perspectives for the bioremediation of wastewater with the simultaneous biological production of resources. The study of applications of photosynthetic species can help reduce the human carbon footprint on the environment and promote a sustainable and environmentally friendly economy.

Η επεξεργασία των λυμάτων της σύγχρονης παραγωγικής διαδικασίας σε τομείς της οικονομίας, όπως η γεωργία, η κτηνοτροφία και η βιομηχανία τροφίμων, αποτελεί παγκόσμια πρόκληση. Οι μεγάλοι όγκοι αποβλήτων, που προκύπτουν λόγω των αυξημένων αναγκών της αγοράς, απαιτούν νέες ιδέες και βιώσιμες τεχνολογίες για την άμβλυνση των περιβαλλοντικών προβλημάτων. Οι πρόσφατες εξελίξεις στη βιοτεχνολογία προσφέρουν τη δυνατότητα να συνδυαστούν οι διεργασίες επεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών απορροών με την καλλιέργεια φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών για την ανάκτηση θρεπτικών και την ταυτόχρονη παραγωγή βιοτεχνολογικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, ελαχιστοποιώντας το κόστος της διεργασίας. Η βιομάζα μικροφυκών και κυανοβακτηρίων είναι πλούσια σε πρωτεΐνες, σάκχαρα και λιπίδια, ενώ ανάλογα με το είδος του μικροοργανισμού και τις συνθήκες καλλιέργειας παράγονται πολύτιμες χρωστικές ουσίες, αντιοξειδωτικά φαινολικά συστατικά και άλλα βιοπολυμερή, όπως πολυεστέρες, που εν δυνάμει αντικαθιστούν τα συμβατικά πολυμερή πετροχημικής προέλευσης. Η αναερόβια χώνευση είναι μια ευρέως διαδεδομένη μέθοδος επεξεργασίας αποβλήτων για την παραγωγή βιοαερίου, που έχει χαρακτηριστεί ως φιλική προς το περιβάλλον και μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα είτε τοπικά σε μικρότερες εγκαταστάσεις. Παρά την ικανοποιητική κατανάλωση θρεπτικών από το εκάστοτε υπόστρωμα, κατά την αναερόβια χώνευση παράγονται σημαντικές ποσότητες χωνευμένων υπολειμμάτων, που χρήζουν περαιτέρω επεξεργασίας πριν τη διάθεση τους σε φυσικά ενδιαιτήματα. Εκτός από τις φυσικοχημικές μεθόδους επεξεργασίας των αναερόβιων απορροών, αξιολογούνται και βιολογικές διεργασίες με στόχο την ανάκτηση θρεπτικών προς παραγωγή βιομαζας και τη βιοσταθεροποίηση αυτού του τύπου αποβλήτων. Η απόδοση και η βιωσιμότητα των βιολογικών συστημάτων διαχείρισης απορροών αναερόβιας χώνευσης εξαρτάται τόσο από τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του αποβλήτου όσο και από τις δυνατότητες του εκμεταλλευόμενου μικροοργανισμού. Η παρούσα διατριβή αποσκοπούσε στην αξιολόγηση ειδών μικροφυκών και κυανοβακτηρίων, για τα οποία η έως τώρα βιβλιογραφία δεν παρείχε επαρκή δεδομένα σχετικά με τη συμπεριφορά τους σε υποστρώματα που περιείχαν απορροές αναερόβιας χώνευσης. Ιδιαίτερη σημασία δόθηκε σε είδη, απομονωμένα από το φυσικό τους περιβάλλον και στη σύγκρισή τους με ευρέως γνωστούς και χρησιμοποιημένους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς στην επεξεργασία αποβλήτων ή/και την παραγωγή μεταβολικών προϊόντων. Τα τοπικά απομονωμένα μικροφύκη και κυανοβακτήρια παρουσιάζουν εύκολη προσαρμογή σε μεγάλο εύρος περιβαλλοντικών συνθηκών και οι ανθεκτικές καλλιέργειές τους έχουν χαρακτηριστεί ως πολλά υποσχόμενες για βιομηχανική εφαρμογή. Η μελέτη των τοπικών ειδών συμπληρώνει συνεχώς με στοιχεία την ήδη υπάρχουσα γνώση γύρω από τους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς στα πλαίσια της προσπάθειας για την εύρεση κατάλληλων στρατηγικών αξιοποίησης των υγρών απορροών ως μέσο ανάπτυξης. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν τα είδη Chlorella vulgaris 211-11b (SAG, University of Göttingen), Chlorella sp. (απομονωμένο από το φυσικό του περιβάλλον στην Αλγερία), Phormidium sp. (απομονωμένο από λιμνοθάλασσα της Δ. Ελλάδας) και Chlorogloeopsis fritschii 1411-1a (SAG, University of Göttingen) για την επεξεργασία δύο τύπων αναερόβιων απορροών σε φωτοβιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Οι καλλιέργειες των δύο ειδών Chlorella πραγματοποιήθηκαν με σκοπό τη μελέτη αφομοίωσης ρύπων, οργανικού άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου, από υγρό χωνευμένο υπόλειμμα διαφορετικών αρχικών περιεκτικοτήτων σε αμμωνιακό άζωτο. Οι διαφορετικές συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου προέκυψαν ύστερα από τη φυσικοχημική αφαίρεση της αέριας αμμωνίας και φάνηκε να επηρεάζουν την παραγωγή βιομάζας και τη σύστασή της σε λιπαρά οξέα. Η καλλιέργεια του Phormidium sp. σε συνθετικό μέσο και σε υπόστρωμα αραιωμένης απορροής είχε ως στόχο τη μελέτη της επίδρασης του παρεχόμενου φωτός και της συγκέντρωσης του οργανικού άνθρακα στην κατανάλωση των θρεπτικών με την παράλληλη παραγωγή της χρωστικής φυκοκυανίνης. Τέλος, το κυανοβακτήριο C. fritschii αξιολογήθηκε σχετικά με την ενδοκυτταρική συσσώρευση πολύ-υδροξυβουτυρικών εστέρων μέσω της κατανάλωσης οξικού οξέος σε αποστειρωμένο τεχνητό μέσο και κατά τη λειτουργία των φωτοβιοαντιδραστήρων με τροφοδοσία αναερόβια χωνευμένου υγρού από την επεξεργασία αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων. Τα ευκαρυωτικά μικροφύκη έχουν πρόσφατα αναγνωριστεί ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση για την αποτελεσματική επεξεργασία του υγρού υπολείμματος της αναερόβιας χώνευσης. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, μια ευρέως εφαρμοσμένη διαδικασία με βάση τα μικροφύκη εξακολουθεί να απουσιάζει, λόγω αρκετών περιορισμών από τις υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας και τη θολερότητα του υγρού αποβλήτου, που εμποδίζουν την παραγωγή βιομάζας. Στο πλαίσιο αυτό, ο σκοπός της πρώτης ενότητας μελέτης ήταν να διερευνηθεί η απόδοση δύο στελεχών Chlorella, του στελέχους SAG 211-11b και ενός απομονωμένου από φυσικό περιβάλλον στην Αλγερία. Τα δύο μικροφύκη καλλιεργήθηκαν σε διαφορετικά επίπεδα αζώτου μετά τη φυσικοχημική απομάκρυνση αμμωνίας. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε κυλινδρικούς φωτοβιοαντιδραστήρες υπό ελεγχόμενο pH (7.8 ± 0.2) και θερμοκρασία (25 ± 2 °C). Οι καλλιέργειες παρακολουθήθηκαν ως προς την παραγωγή βιομάζας και την αφαίρεση θρεπτικών από την αναερόβια απορροή. Στην αρχή της στάσιμης φάσης της καλλιέργειας (12η ημέρα) και μετά την ωρίμανση των κυττάρων (24η ημέρα), αναλύθηκε η παραγόμενη βιομάζα στα βιοχημικά συστατικά της. Το Chlorella sp. έδειξε καλύτερη προσαρμογή και ανάπτυξη στην αναερόβια απορροή σε σχέση με το C. vulgaris 211-11b, με αποτέλεσμα 1.43 mg βιομάζας L−1 έναντι 1.02 mg L−1 υπό 25 mg N-NH4+ L−1. Η κατανάλωση οργανικού άνθρακα και θρεπτικών συστατικών διέφερε μεταξύ των δύο στελεχών και φάνηκε να επηρεάστηκε από τις διαφορετικές αρχικές συνθήκες. Όσον αφορά στην ποιότητα της βιομάζας, η υψηλή αρχική συγκέντρωση N-NH4+οδήγησε σε υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες, ενώ τα χαμηλά επίπεδα αζώτου ευνόησαν τη συσσώρευση λιπαρών οξέων και ανέστειλαν την παραγωγή χρωστικών ουσιών. Συγκεκριμένα, η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη προσδιορίστηκε στο 45 % του ξηρού βάρους σε όλα τα πειραματικά σενάρια με επαρκές άζωτο, ενώ τα λιπαρά οξέα πλησίασαν το 20 % στην περίπτωση της ανάπτυξης με τη χαμηλότερη συγκέντρωση N-NH4+. Η σύγκριση των δύο ειδών και η μελέτη του συνδυασμού της φυσικοχημικής απογύμνωσης αμμωνίας με τη βιολογική επεξεργασία των απορροών αναερόβιας χώνευσης εμπλούτισαν την έως τώρα σχετική βιβλιογραφία. Από αυτήν την ερευνητική εργασία αναδείχθηκε ένα τοπικά απομονωμένο είδος του γένους Chorella, του οποίου οι εφαρμογές μπορούν να αποδειχθούν ακόμη πιο εύρωστες και κερδοφόρες. Καθώς η βιοτεχνολογική παραγωγή υψηλής προστιθέμενης αξίας προϊόντων συνεχίζει να προκαλεί το ερευνητικό ενδιαφέρον, ακόμα περισσότεροι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί αξιοποιούνται για τη σύνθεση αμινοξέων, λιπαρών οξέων, χρωστικών και άλλων βιοπολυμερών. Στη συνέχεια της ερευνητικής μελέτης, αξιολογήθηκε το απομονωμένο από λιμνοθάλασσα της Δ. Ελλάδας κυανοβακτήριο Phormidium sp. για την παραγωγή της υδατοδιαλυτής χρωστικής φυκοκυανίνης. Η συσσώρευση της φυκοκυανίνης ευνοήθηκε από υποστρώματα με χαμηλό οργανικό φορτίο. Αποσκοπώντας στην ελαχιστοποίηση του κόστους του υποστρώματος, χρησιμοποιήθηκε το υγρό κλάσμα απορροής αναερόβια χωνευμένων αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων. Η χρήση της αραιωμένης αναερόβιας απορροής όχι μόνο επέτρεψε στο Phormidium sp. να αναπτυχθεί, αλλά ενίσχυσε τη σύνθεση της φυκοκυανίνης. Οι φωτοβιοαντιδραστήρες με τη χαμηλότερη παροχή φωτός, που έδειξαν αυξημένη συσσώρευση χρωστικής (έως 2.5 % w/w) οδήγησαν σε συγκέντρωση βιομάζας 0.7 g L-1 ανεξαρτήτως του τύπου του υποστρώματος. Όταν το Phormidium sp. εμβολιάστηκε σε καθαρό συνθετικό μέσο με 1 g γλυκόζης L-1, η συγκέντρωση φυκοκυανίνης πλησίασε τα 10 mg L-1, ενώ μετρήθηκε κατά 1,75 φορές υψηλότερη στην καλλιέργεια που περιείχε αναερόβια χωνευμένο υγρό, λόγω μεγαλύτερης παραγωγής βιομάζας. Τέλος, η παροχή υψηλότερης έντασης φωτός στις καλλιέργειες βοήθησε στην αύξηση της συσσώρευσης βιομάζας και την παραγωγή φυκοκυανίνης, χωρίς ωστόσο να βελτιώσει την περιεκτικότητα των κυττάρων σε προϊόν. Η μελέτη του τοπικά απομονωμένου κυανοβακτηρίου απέδειξε τη δυνατότητα βιοαποκατάστασης του αναερόβια χωνευμένου αποβλήτου με την ταυτόχρονη παραγωγή χρωστικών ουσιών υψηλής προστιθέμενης αξίας. Τα οπτικά χαρακτηριστικά σκουρόχρωμων υποστρωμάτων μπορούν να ενισχύσουν την παραγωγή φυκοκυανίνης, βελτιώνοντας την ποιότητα του αξιοποιήσιμου φωτός από τους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς. Δεδομένης της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης από τα συμβατικά πετροχημικά πλαστικά υλικά, η τρίτη ενότητα αποτελεσμάτων ασχολήθηκε με τη συσσώρευση πολύ-υδροξυβουτυρικών εστέρων (PHB) στους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς. Εξετάστηκαν 10 είδη μικροοργανισμών σε μιξότροφες καλλιέργειες σε συνθετικό μέσο παρουσία οξικού οξέος, ωστόσο μόνο 4 από αυτά κατάφεραν να παρουσιάσουν περιεχόμενο στο προϊόν ενδιαφέροντος. Ανάμεσα σε 9 ευκαρυωτικά μικροφύκη ξεχώρισε το κυανοβακτήριο C. fritschii 1411-1a, το οποίο σε ανεπιθύμητες για την ανάπτυξή του συνθήκες συσσώρευσε PHB έως και 4 % του ξηρού βάρους της βιομάζας. Μετά τη διαδικασία αξιολόγησης και επιλογής, το C. fritschii καλλιεργήθηκε σε φωτοβιοαντιδραστήρες με συνθετικό υπόστρωμα και μέσο που αποτελούνταν κατά 10 % από αναερόβια απορροή. Αξιολογήθηκε σχετικά με την παραγωγή βιομάζας και βιοπολυμερούς παρουσία και απουσία οξικού οξέος. Το συγκεκριμένο κυανοβακτήριο ήταν ικανό να πολλαπλασιάζεται σε τεχνητό υπόστρωμα και ταυτόχρονα να συνθέτει PHB παρουσία πηγής οργανικού άνθρακα, φτάνοντας η βιομάζα του να αποτελείται από PHB κατά 8.3 %. Εκμεταλλευόμενο μόνο την αναερόβια απορροή το C. fritschii συσσώρευσε PHB, που αντιστοιχήθηκε σε 5.1 % της ξηρής κυτταρικής μάζας. Επιπλέον, η μείωση της θερμοκρασίας των καλλιεργειών, από την κατάλληλη για ανάπτυξη (35 οC) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (25 oC), οδήγησε στη σύνθεση ενδοκυτταρικού PHB (7.2 % w/w), αναστέλλοντας την παραγωγή βιομάζας. Ο εκμηδενισμός του κόστους του υποστρώματος σε συνδυασμό με τη βελτιστοποίηση της σύνθεσης PHB από το συγκεκριμένο κυανοβακτήριο θα μπορούσαν να συνεισφέρουν στη βιώσιμη παραγωγή βιοπλαστικών. Για την κατανόηση των αποτελεσμάτων από τις παραπάνω ενότητες πειραμάτων και τον πλήρη σχολιασμό τους πραγματοποιήθηκε η μαθηματική μοντελοποίηση της συμπεριφοράς των φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών. Έγινε προσπάθεια να περιγραφούν οι αναπτύξεις των προς μελέτη ειδών σε συνδυασμό με την παραγωγή των εκάστοτε επιθυμητών προϊόντων. Πιο συγκεκριμένα, για τα είδη του γένους Chlorella προέκυψαν εξισώσεις από μοντέλα μη γραμμικής παλινδρόμησης, οι οποίες συσχέτισαν την αρχική ποιότητα του υποστρώματος με την τελική παραγωγή βιομάζας και τη συσσώρευση λιπαρών οξέων. Όσον αφορά στα κυανοβακτήρια Phormidium sp. και C. fritschii τα μαθηματικά μοντέλα, που αναπτύχθηκαν, βοήθησαν στην εξήγηση των μεταβολικών οδών προς την παραγωγή φυκοκυανίνης και PHB αντίστοιχα. Συνοψίζοντας, οι καλλιέργειες φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών αποτελούν σημαντικό παράγοντα στην επεξεργασία απορροών και την ανάκτηση θρεπτικών για την παραγωγή βιομάζας και μεταβολικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Η παραγωγή βιοκαυσίμων, φαρμακευτικών ενώσεων και άλλων βιοπολυμερών προσφέρει νέες προοπτικές για τη βιοσταθεροποίηση υγρών αποβλήτων με την ταυτόχρονη βιολογική παραγωγή πόρων. Η μελέτη εφαρμογών φωτοσυνθετικών ειδών μπορεί να συμβάλει στη μείωση του ανθρώπινου αποτυπώματος άνθρακα στο περιβάλλον και στην προώθηση μίας βιώσιμης και φιλικής προς το περιβάλλον οικονομίας.