Genetic prediction of ICU hospitalization and mortality in COVID-19 patients using artificial neural networks

There is an unmet need of models for early prediction of morbidity and mortality of Coronavirus disease-19 (COVID-19). We aimed to a) identify complement-related genetic variants associated with the clinical outcomes of ICU hospitalization and death, b) develop an artificial neural network (ANN) predicting these outcomes and c) validate whether complement-related variants are associated with an impaired complement phenotype. We prospectively recruited consecutive adult patients of Caucasian origin, hospitalized due to COVID-19. Through targeted next-generation sequencing, we identified variants in complement factor H/CFH, CFB, CFH-related, CFD, CD55, C3, C5, CFI, CD46, thrombomodulin/THBD, and A Disintegrin and Metalloproteinase with Thrombospondin motifs (ADAMTS13). Among 381 variants in 133 patients, we identified 5 critical variants associated with severe COVID-19: rs2547438 (C3), rs2250656 (C3), rs1042580 (THBD), rs800292 (CFH) and rs414628 (CFHR1). Using age, gender and presence or absence of each variant, we developed an ANN predicting morbidity and mortality in 89.47% of the examined population. Furthermore, THBD and C3a levels were significantly increased in severe COVID-19 patients and those harbouring relevant variants. Thus, we reveal for the first time an ANN accurately predicting ICU hospitalization and death in COVID-19 patients, based on genetic variants in complement genes, age and gender. Importantly, we confirm that genetic dysregulation is associated with impaired complement phenotype.- Pfizer Pharmaceuticals(undefined

Νευρολογικός και νευροφυσιολογικός έλεγχος πριν και μετά συνεδρία αιμοκάθαρσης σε ασθενείς με χρόνια νεφρική ανεπάρκεια τελικού σταδίου

Fifty patients (23 males arm 27 females; mean age 4 7,8+ 11,1 years) with end-stage kidney disease, undergoing haemo-dialysis three times weekly for a mean of 37,36±33,08 months, were examined. EEGs, visual evoked responses and blink-re-flexes were recorded from all patients before and after an haemodialysis session. (Subjects with mental retardation, seizure disorders, cerebrovascular accidents and previous malignant hypertension were excluded as well as patients taking drugs with possible neurotoxic action). The electrophysiological datax were correlated with clinical situation and serum values of urea, creatinine and other indices (K, Ha, POi, , Ca, Hct) . Our study's aim was to investigate the effects of haemodialysis on the central nervous system and to determine the diagnostic and prognostic value of these electrophysiological examinations in the evolution of brain dysfunction even before the manifestation of clinical symptoms, and their possibility to be sensitive indicators of the effects and adequacy of the dialysis program. Abnormal EEGs were recorded in 8H% of our: patients after the haemodialysis session, while before it abnormal EEGs were recorded in 58% of the patients. There was also a significant aggravation of the EEG abnormalities after the haemodialysis session, even when clinical signs of deterioration were absent. These abnormalities (mainly, bursts of high voltage bilateral delta waves either on a normal background or on a slow generalized dysrhythmia) were not specific for renal insufficiency or for the post-dialysis disequilibrium syndrome. They reveal, however, a more or less intense cerebral impairment which may represent the dialysis effects on cerebral electrogenesis due to the rapid changes in biological equilibrium (in either direction) during the haemodialysis session. 100 Visual evoked potentials were recorded after stimulation by checkerboard pattern reversal. Abnormal VEPs were obtained from 44% of our patients before haemodialysis and from 78% of them after it. VEPs abnormalities consisted mainly in delayed latencies, significant difference of the major peak amplitude between Oi~Cz and 02-Cz and abnormal waveforms (double peak or "plateau"). The study of the blink-reflex showed that there was a ponto-medullar dysfunction in 55% of the patients. No one of them had clinical signs of a brain-stem lesion. After the haemodialysis session abnormal diagrams were recorded in 36% of the patients. This transition of the diagrams from pathological to normal can be explained if we accept two kinds of lesions: a toxic, functional disturbance due to uremia and a permanent organic one. However there were few diagrams which became abnormal after the haemodialysis session (13%) and this phenomenon reflects a dysfunction of the ponto-medullar area evoked by the metabolic disorders during the haemodialysis . No significant correlation was found between EEG findings, VEP latencies, blink-reflex abnormalities and the levels of blood biochemical factors. Despite the lack of etiologic specificity of the findings of these three neurophysiological methods their prognostic value seems to be important. The regression of the abnormalities is a good sign of improvement; conversely their aggravation foretells the appearance of serious complications.Πενήντα άρρωστοι (είκοσι τρεις άνδρες και είκοσι επτά γυναίκες) με χρόνια νεφρική ανεπάρκεια, που υποβάλλονταν σε περιοδική αιμοκάθαρση από 1-133 μήνες (μέση διάρκεια 37,36+ 33,08 μήνες) εξετάσθηκαν με ΗΕΓ/φημα, οπτικά προκλητά δυναμι­κά και blink-reflex πριν και μετά από συνεδρία αιμοκάθαρσης και έγινε σύγκριση των ευρημάτων των εξετάσεων αυτών με την κλινική εικόνα των αρρώστων και τις βιοχημικές παραμέτρους του αίματος. Ο σκοπός της εργασίας ήταν να μελετηθεί κυρίως η επίδρα­ση της αιμοκάθαρσης στο Κ.Ν.Σ. και να διερευνηθεί η δυνατότη­τα των νευροφυσιολογικών αυτών μεθόδων να χρησιμεύσουν στην πρώΐ'μη διάγνωση μιας επερχόμενης επιπλοκής από το Κ.Ν.Σ. ή σαν προγνωστικοί δείκτες μιας υφιστάμενης ήδη εγκεφαλικής "δυσλειτουργίας" και έμμεσα να βοηθήσουν στην εκτίμηση των ικανοποιητικών ή μη αποτελεσμάτων της αιμοκάθαρσης. Διαπιστώθηκε ότι τα ΗΕΓ/φήματα εμφανίζουν σε μεγάλο πο­σοστό παθολογικές εικόνες μετά τη συνεδρία της αιμοκάθαρσης καθώς και επιδείνωση των ήδη υπαρχουσών ανωμαλιών, έστω και αν η κλινική εικόνα δεν εμφανίζει ουσιώδη μεταβολή. Το είδος των ΗΕΓ/φικών ανωμαλιών υποδηλώνει την ύπαρξη μιας διάχυτης δυσλειτουργίας, που αφορά φλοιώδεις περιοχές και υποφλοκύ-δεις σχηματισμούς και που μπορεί να θεωρηθεί σαν αποτέλεσμα του stress, που υφίσταται ο οργανισμός με τις ταχείες και από­τομες μεταβολές βιοχημικών και άλλων παραγόντων, που συμβαί­νουν στη διάρκεια μιας συνεδρίας αιμοκάθαρσης (σύνδρομο ηλεκ-τροχυμικής διαταραχής). Τα οπτικά προκλητά δυναμικά εμφανίζουν επίσης αύξηση του ποσοστού των παθολογικών ευρημάτων μετά τη συνεδρία της αιμο­κάθαρσης σε βαθμό στατιστικά σημαντικό. Αν και η παράταση του λανθάνοντα χρόνου δεν ήταν το κύριο εύρημα μας ούτε και ήταν τόσο μεγάλη όσο στα απομυελινωτικά νοσήματα του Κ.Ν.Σ., εν τού­τοις οι ανωμαλίες (διαφορά στην καθυστέρηση της προκλητής απάντησης μεταξύ των δύο ματιών ή μεταξύ των δύο ινιακών πε­ριοχών, ανώμαλες κυματομορφές, διαφορά ύφους του προκλητού δυναμικού μεταξύ των δύο ματιών ή των δυο ινιακών περιοχών), αποτελούν σαφή ένδειξη διαταραχής στην αγωγιμότητα της οπτι­κής οδού, που μπορεί να οφείλεται σε τοξική επίδραση όχι μόνο της ουρίας, αλλά και πολλών άλλων παραγόντων λόγω της νεφρι­κής ανεπάρκειας ή και στις ποικίλες διαταραχές, που συμβαί­νουν κατά την αιμοκάθαρση. Η μελέτη του blink-reflex απέδειξε την ύπαρξη διάχυτης δυσλειτουργίας στη γεφυροπρομηκική περιοχή σε μεγάλο ποσοστό αρρώστων. Αντίθετα με τις άλλες εξετάσεις, που τα ευρήματα τους επιδεινώθηκαν σημαντικά μετά την αιμοκάθαρση, εδώ είχα­με βελτίωση στα μισά περίπου από τα παθολογικά διαγράμματα, εύρημα που υποδηλώνει την ύπαρξη κάποιας "παροδικής" βλάβης λόγω "δηλητηρίασης" από τη συσσώρευση διαφόρων μεταβολικών παραγώγων στον οργανισμό κατά τη νεφρική ανεπάρκεια. Πάντως και εδώ η ύπαρξη έστω και μικρού ποσοστού αρρώστων, που έδω­σαν παθολογικό διάγραμμα μετά τη συνεδρία αιμοκάθαρσης, ενώ πριν είχαν φυσιολογικό, είναι ένδειξη για άλλη μια φορά της επίδρασης των ποικίλων και απότομων βιοχημικών και άλλων αλ­λαγών, που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της. Οπωσδήποτε το ψηλό γενικά ποσοστό διαταραχής του αντανακλαστικού σε αρρώ­στους, που δεν είχαν κλινικά σημεία βλάβης του στελέχους, απο­δεικνύει τη χρησιμότητα της μεθόδου για την αποκάλυψη υποκλινικών διαταραχών στην περιοχή αυτή. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των τριών νευροφυσιολογικών εξετάσεων με τις τιμές ουρίας, κρεατινίνης και ηλεκτρολυτών στο αίμα δεν αποδείχθηκε κάποια στατιστικά σημαντική σχέση. Αν και καμμία από τις τρεις μεθόδους δεν παρουσιάζει "ει­δικές" ανωμαλίες για τη νεφρική ανεπάρκεια ή το σύνδρομο ηλεκτροχυμικής διαταραχής, ο συνδυασμός τους σε συνάρτηση πάντα με την κλινική κατάσταση μπορεί να προσφέρει αρκετά για τον πλη­ρέστερο έλεγχο της εγκεφαλικής λειτουργίας, την έγκαιρη ανί­χνευση υποκλινικών βλαβών και την εξαγωγή συμπερασμάτων για την πρόγνωση μιας ήδη υπάρχουσας δυσλειτουργίας

Bioremediation and valorization of anaerobically digested agricultural and municipal organic waste for production of biotechnological added value products through use of microalgae

Microalgal cultivation in effluents from biogas production units, digestates, represents a promising alternative to conventional management of the produced liquid fraction, since significant removal of organic and inorganic components can be accomplished, valuable biomass can be produced, and cultivation cost can diminish. However, several challenges including dark color and high turbidity, ammonia toxicity, insufficient concentration of fundamental nutrients and presence of inhibitors, have to be addressed in order to effectively optimize the process. To this end, the purpose of the present PhD thesis was the bioremediation and valorization of anaerobically digested agro-industrial and municipal organic wastes for the production of valuable bio-products, through use of microalgae. In this respect, two different types of digestates and nine microalgal species were used, various culture conditions were tested, and different growth parameters and potential uses of the produced biomass were assessed, in order to make the most effective use of the process. In preliminary tests, five loadings, 0.5-50% (v/v) derived from digested agro-industrial wastes were applied and microalgal performance was evaluated in terms of biomass yield and maximum quantum yield of primary photochemistry of PSII. Subsequently, two microalgal species, Parachlorella kessleri and Acutodesmus obliquus, were cultivated in 2% and 10% (v/v) digestate loadings under sterile and non-sterile conditions. 10% (v/v) digestate loading inhibited growth over 9–12 days of cultivation, however biomass yields of 1.1 and 1 g L-1, accumulation of 22.7% and 19.5% (w/w) fatty acids (FAs), as well as NH3-N assimilation of 49.7 mg L-1 and 32.3 mg L-1, and TP removal of 84.2% and 84% were observed for P. kessleri and A. obliquus, respectively. Between all the conditions tested, P. kessleri outperformed A. obliquus, with no differences observed between sterilized and non-sterilized digestate. Subsequently, the performance of seven more microalgal strains was investigated with view to selecting the most appropriate species for digestate remediation and biotechnological exploitation. Furthermore, induction kinetics of prompt chlorophyll fluorescence was used for the first time, as a screening tool indicative of the reactions of the photosynthetic machinery of different microalgal species cultivated in digestate. Besides P. kessleri and A. obliquus, two more species, Chlorella vulgaris and Tetraselmis tetrathele were able to acclimate to this new medium, resulting in biomass yields and FA content between 570–1117 mg L-1 and 3.9–24.5%, respectively. The main FAs detected in the four species were oleic (C18:1), palmitic (C16:0) and linolenic acid (C18:3n3, omega-3), with significant differences in their relative abundance. Photosynthetic properties of P. kessleri showed only a minor reaction upon inoculation, and PIABS and φR0 indices were strongly influenced in case of the five strains that could not acclimate and grow. Concerning nutrients removal, almost complete NH3-N removal was observed, however based on % nitrogen concentration of microalgal biomass and biomass production values, NH3-N assimilation was rather low, with values between 4.89-15.03%. Subsequently, the most effective species were cultivated in photobioreactors, PBRs, under batch mode. P. kessleri was cultivated in the agro-waste digestate supplemented with different glucose concentrations, magnesium and trace metals and alternatively with cheese whey (CW), with view to enriching digestate and decreasing freshwater demand. CW addition resulted in the highest biomass concentration of 2.68 g L-1 within 18 days of cultivation. Chlorophyll content was significantly decreased under 5 g L-1 glucose, while MgSO4 addition reversed this trend. Concerning lipid accumulation, in the presence of high organic carbon levels, % total FAs decreased and the saturated fraction increased over PUFAs. At the same time, a mathematical model was developed to describe the behavior of P. kessleri in agro-waste digestate, where light was considered as the limiting factor for growth, with high ability to predict biomass production and nutrient removal under various conditions. In addition, when cultivating the industrial species C. vulgaris, addition of 15% (v/v) cheese whey in 10% agro-waste digestate increased both μmax and biomass yield up to 0.84 d-1 and 1.63 g L-1, respectively. Ηowever, it was ineffective in further increasing digestate loading, since high concentrations resulted in μmax decrease, high growth of heterotrophs and total inhibition under 80% loading. In contrast, effluents from digested municipal organic wastes were effectively used up to 100% resulting in 1.24 g L-1 microalgal concentration. At the same time, the potential uses and applications of the produced biomass were investigated, including production of biofuels, mainly biodiesel and bioethanol, feed supplements, antioxidants and substances with antimicrobial activity tested against two pathogenic bacteria. Culture conditions and digestate type strongly determined composition of C. vulgaris biomass, which was mostly rich in proteins and carbohydrates, while incomplete nutrient removal resulted in low lipid content, though rich in PUFAs. Lastly, biomass extracts inhibited growth of Bacillus subtilis, with minimum inhibitory concentrations (MIC) between 0.3-2.85 mg mL-1.Η καλλιέργεια μικροφυκών στις απορροές των μονάδων παραγωγής βιοαερίου αποτελεί μία καινοτόμο και υποσχόμενη εναλλακτική διαχείρισης του υγρού κλάσματος των χωνευμένων υπολειμμάτων, επιτυγχάνοντας αποτελεσματική απομάκρυνση οργανικών και ανόργανων συστατικών, παράγοντας πολύτιμη βιομάζα για την παραγωγή βιοτεχνολογικών προϊόντων και μειώνοντας σημαντικά το κόστος της καλλιέργειας. Ωστόσο, το σκούρο χρώμα και η θολερότητα των απορροών, η τοξική συγκέντρωση αμμωνίας, η έλλειψη απαραίτητων θρεπτικών συστατικών και η παρουσία παρεμποδιστών, αποτελούν προκλήσεις για την εφαρμογή της τεχνολογίας, καθιστώντας απαραίτητη την ανάπτυξη στρατηγικών βελτιστοποίησης της διεργασίας. Στο πλαίσιο αυτό, στόχος της παρούσας Διατριβής ήταν η επεξεργασία χωνευμένων αγροτο-κτηνοτροφικών και αστικών οργανικών αποβλήτων μέσω της χρήσης μικροφυκών και η αξιοποίησή τους για την παραγωγή πολύτιμων βιο-προϊόντων. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι αναερόβιων απορροών, εννέα είδη μικροφυκών και αξιολογήθηκαν διαφορετικοί παράγοντες και συνθήκες καλλιέργειας, καθώς και δυνατότητες αξιοποίησης της παραγόμενης βιομάζας. Αρχικά, διερευνήθηκε η εφαρμογή διαφορετικών συγκεντρώσεων, 0.5-50% (v/v) αναερόβια χωνευμένων αγροτο-κτηνοτροφικών αποβλήτων και αξιολογήθηκε η απόδοση των μικροφυκών ως προς την παραγωγή βιομάζας και τη μέγιστη φωτοχημική απόδοση του φωτοσυστήματος (PSII). Ακολούθως, τα είδη Parachlorella kessleri και Acutodesmus obliquus καλλιεργήθηκαν σε 2% και 10% (v/v) φόρτιση σε αποστειρωμένες και μη- συνθήκες. Η συγκέντρωση 10% (v/v) αναερόβιας απορροής παρεμπόδισε την ανάπτυξη των ειδών P. kessleri και A. obliquus για 9-12 ημέρες, πέραν των οποίων παρατηρήθηκε συγκέντρωση βιομάζας 1.1 και 1 g L-1, συσσώρευση λιπαρών οξέων (FAs) 22.7 και 19.5% (w/w), κατανάλωση 49.7 και 32.3 mg L-1 αμμωνιακού αζώτου (ΝΗ3-Ν) και απομάκρυνση 84.2 και 84% ολικού φωσφόρου (ΤΡ), αντίστοιχα. Μεταξύ των δύο μικροφυκών, η απόδοση του είδους P. kessleri ήταν μεγαλύτερη ενώ δεν παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ αποστειρωμένης και μη-αποστειρωμένης απορροής. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε έλεγχος της απόδοσης επτά επιπλέον ειδών μικροφυκών, με στόχο την επιλογή των καταλληλότερων για την βιοτεχνολογική αξιοποίηση των απορροών. Ταυτόχρονα, η ανάλυση της ταχείας επαγωγής του φθορισμού της χλωροφύλλης αξιοποιήθηκε για πρώτη φορά ως εργαλείο επιλογής ειδών που αναπτύσσονται σε χωνευμένα απόβλητα. Πέραν των ειδών P. kessleri και A. obliquus, τα μικροφύκη Chlorella vulgaris και Tetraselmis tetrathele προσαρμόστηκαν επιτυχώς στις επικρατούσες συνθήκες, με την παραγωγή βιομάζας και τον μέγιστο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης (μmax) να κυμαίνονται μεταξύ 570-1117 mg L-1 και 0.161-0.181 d-1, αντίστοιχα. Στην περίπτωση του είδους P. kessleri παρατηρήθηκε μικρή μόνο μεταβολή στην κατάσταση της φωτοσυνθετικής συσκευής, ενώ οι φωτοσυνθετικές παράμετροι φRo και PIABS επηρεάστηκαν σημαντικά στα είδη που δεν αναπτύχθηκαν στα χωνευμένα υπολείμματα. Η σύσταση της παραγόμενης βιομάζας των ειδών P. kessleri, A. obliquus, C. vulgaris και T. tetrathele σε λιπίδια ήταν 23.8%, 12.1%, 24.5% και 3.9%, αντίστοιχα, με κυριότερα FAs τα ελαϊκό (C18:1), παλμιτικό (C16:0) και λινολενικό (C18:3n3 ή ω-3) οξύ. Επιπλέον, και στις τέσσερις περιπτώσεις παρατηρήθηκε σχεδόν πλήρης απομάκρυνση NH3-N, ωστόσο η αφομοίωση του αζώτου ήταν σημαντικά χαμηλότερη, με τιμές μεταξύ 4.89-15.03%. Στη συνέχεια, τα αποδοτικότερα είδη αναπτύχθηκαν σε φωτο-βιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου, ενώ ταυτόχρονα έγινε προσπάθεια αύξησης της απόδοσης των καλλιεργειών και μείωσης των απαιτήσεων νερού, μέσω της προσθήκης οργανικού άνθρακα, απαραίτητων μακρο- και μικρο- συστατικών ή υγρών αποβλήτων. Η προσθήκη τυρογάλακτος (CW) στην καλλιέργεια του είδους P. kessleri είχε ως αποτέλεσμα την υψηλότερη συγκέντρωση βιομάζας, 2.68 g L-1 εντός 18 ημερών. Η συγκέντρωση χλωροφύλλης μειώθηκε σημαντικά παρουσία 5 g L-1 γλυκόζης, ενώ η προσθήκη MgSO4 διατήρησε τα επίπεδα χρωστικών της καλλιέργειας. Όσον αφορά στη συσσώρευση λιπιδίων, παρουσία υψηλής συγκέντρωσης οργανικού άνθρακα, το ποσοστό των FAs μειώθηκε σημαντικά και το κλάσμα των κορεσμένων FAs αυξήθηκε έναντι των πολυακόρεστων λιπαρών οξέων (PUFAs). Παράλληλα, αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο για την περιγραφή της συμπεριφοράς του είδους P. kessleri σε αναερόβια χωνευμένα αγροτο-κτηνοτροφικά απόβλητα, όπου περιοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη θεωρήθηκε το φως, βρίσκοντας εφαρμογή σε διαφορετικές διατάξεις αλλά και αποστειρωμένες και μη- συνθήκες, με μεγάλη ικανότητα πρόβλεψης της παραγωγής βιομάζας και της απομάκρυνσης των θρεπτικών συστατικών Ν και P. Επιπλέον, κατά την καλλιέργεια του βιομηχανικού είδους C. vulgaris, η προσθήκη 15% (v/v) CW σε 10% χωνευμένα αγροτο-κτηνοτροφικά απόβλητα αύξησε τόσο τον μέγιστο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης (μmax) όσο και την παραγωγή βιομάζας σε 0.84 d-1 και 1.63 g L-1, αντίστοιχα. Παρόλα αυτά, δεν κατέστη εφικτή η περαιτέρω αύξηση της συγκέντρωσης της αναερόβιας απορροής, καθώς αυξανομένης της συγκέντρωσης του χωνευμένου υπολείμματος παρατηρήθηκε μείωση του μmax, αύξηση της συγκέντρωσης των ετερότροφων μικροοργανισμών και πλήρης παρεμπόδιση της ανάπτυξης σε συγκέντρωση απορροής 80% (v/v). Αντίθετα, η αναερόβια απορροή αστικών οργανικών αποβλήτων αξιοποιήθηκε σε ποσοστό 100%, οδηγώντας σε συγκέντρωση μικροφυκών 1.24 g L-1. Ταυτόχρονα, διερευνήθηκαν οι πιθανές χρήσεις και εφαρμογές της παραγόμενης βιομάζας, συμπεριλαμβανομένων της παραγωγής βιοκαυσίμων, κυρίως βιοντίζελ και βιοαιθανόλης, συμπληρωμάτων ζωοτροφών, αντιοξειδωτικών και αντιμικροβιακών παραγόντων, οι οποίοι ελέγχθηκαν ως προς την πιθανή αναστολή της ανάπτυξης των παθογόνων βακτηρίων, Escherichia coli και Bacillus subtilis. Η σύσταση της παραγόμενης βιομάζας καθορίστηκε τόσο από τις συνθήκες καλλιέργειας όσο και τον τύπο της απορροής, με υψηλότερα ποσοστά τις πρωτεΐνες και τους υδατάνθρακες. Αντίθετα, η ανεπαρκής κατανάλωση των θρεπτικών συστατικών δεν ευνόησε τη συσσώρευση λιπιδίων, εντούτοις η υψηλή περιεκτικότητά τους σε PUFAs καθιστά το εν λόγω κλάσμα πολύτιμο. Τέλος, εκχυλίσματα του είδους C. vulgaris ανέστειλαν την ανάπτυξη του παθογόνου βακτηρίου B. subtilis, με τιμές ελάχιστης ανασταλτικής συγκέντρωσης (MIC) μεταξύ 0.3-2.85 mg mL-1

Biorefinery and bioremediation potential of microalgae

Microalgal technology has long been recognized as an effective solution to current environmental challenges, including pollution, climate change, depletion of natural resources, and increased demand for energy and bio-based products. Due to the intrinsic characteristics of microalgal cells, including high growth rate, robustness, adaptability, contaminant removal, and valuable composition, in terms of proteins, lipids, carbohydrates, pigments, and numerous bioactive metabolites, intensive research has been focused on relevant applications. However, several technological and economic challenges hinder technology transfer at the industrial scale; therefore several improvements are needed. The purpose of this chapter is to thoroughly present the microalgal potential for the production of biofuels and other added-value products, including functional food and feed, biofertilizers, pharmaceuticals, cosmetics, and bioplastics. Furthermore, the application of microalgal technology for wastewater treatment is discussed, while integrated processes in the biorefinery framework are highlighted

Mathematical Modeling of Microalgal Growth during Anaerobic Digestion Effluent Bioremediation

The development of kinetic models aims at predicting the behavior of a system or analyzing the underlying mechanisms. This process is essential for understanding microalgal growth and optimizing culture conditions. In the case of microalgal cultivation in wastewater, the analysis becomes even more difficult as growth is often inhibited by several factors, such as nutrient limitation and light inadequacy. In this context, a mathematical model was developed to describe the microbial growth of the species Parachlorella kessleri in different reactor setups using either sterile or non-sterile anaerobic digestion effluent as a substrate. Three different mass balances were taken into consideration to describe biomass growth, phosphorus, and nitrogen consumption. Concerning biomass growth, the logistic model was applied to evaluate the inhibition in biomass formation due to lack of illumination. The maximum optical density under which these species could grow was quantified with an ODmax parameter, which was estimated at 4.07 AU/cm for the Erlenmeyer flask and 2.79 AU/cm for cylindrical photobioreactors. Regarding the nitrogen mass balance, two different terms concerning microalgal assimilation and ammonia stripping were implemented into the equation. The proposed model predicted biomass growth with high accuracy in model training (R2 = 0.90) and validation (R2 = 0.89)

Wastewater treatment coupled to algal biomass production

Wastewater treatment is an indispensable part of modern societies and a key factor in terms of sustainability. Microalgae-based systems can significantly contribute to nutrient recovery and removal of contaminants from a broad range of wastewaters. The microalgal biomass that is concurrently produced can be further valorized into various bioproducts. In this chapter, wastewater treatment using microalgae is analyzed, presenting the bioavailable nutrients and describing different types of effluents used in microalgal systems. Furthermore, common inhibitors found in wastewaters are presented. The most suitable microalgae, the underlying microbial interactions as well as the most common photobioreactor types and cultivation modes are discussed and, finally, the prospects of the produced biomass are highlighted

Is It Always Wilms’ Tumor? Localized Cystic Disease of The Kidney in An Infant: An Extremely Rare Case Report And Review of The Literature

Localized Cystic Disease of the Kidney (LCDK) is an extremely rare benign disease in pediatric population. Although its management is conservative and generally requires no treatment, the unfamiliarity with the disease can expose such patients to misdiagnosis as renal malignancies or uncertainty for proper treatment. We report such a case in an infant and review the current literature

Two-stage anaerobic digestion harnesses more energy from the co-digestion of end-of-life dairy products with agro-industrial waste compared to the single-stage process

This research aimed at comparing the single-stage and two-stage co-digestion of end-of-life dairy products (EoL-DPs) with a mixture of agro-industrial waste(water)s. The two systems were operated in parallel and operational parameters including hydraulic retention time (HRT) and organic loading rate were tested for their effect on biohydrogen and bio-methane production. During acidogenic fermentation of EoL-DPs, HRT of 3 days led to process instability due to lactate accumulation, whereas HRT of 6 days resulted in maximum hydrogen yield of 0.676 mol H-2 mol(-1) carbohydrates consumed. Slaughterhouse waste pasteurization did not significantly affect the anaerobic digestion (AD) process, while the increased EoL-DPs feeding ratio enhanced methane yield in both systems (34.7-37.6% increase). Interestingly, the high ammonia concentration (c.a. 4 g L-1) did not inhibit AD. The energy productivity of the two-stage system was roughly 30% higher, and therefore is the suggested approach for agro-industrial waste(water) valorization

Nitrification upon Nitrogen Starvation and Recovery: Effect of Stress Period, Substrate Concentration and pH on Ammonia Oxidizers’ Performance

Nitrification has been widely applied in wastewater treatment, however gaining more insight into the nitrifiers’ physiology and stress response is necessary for the optimization of nutrient removal and design of advanced processes. Since nitrification initiates with ammonia oxidation performed by ammonia-oxidizing bacteria (AOB), the purpose of this study was to investigate the effects of short-term ammonia starvation on nitrogen uptake and transformation efficiency, as well as the performance of starved nitrifiers under various initial substrate concentrations and pH values. Ammonium deprivation for 3 days resulted in fast ammonium/ammonia accumulation upon nitrogen availability, with a maximum uptake rate of 3.87 mmol gprotein−1 min−1. Furthermore, a delay in the production of nitrate was observed with increasing starvation periods, resulting in slower recovery and lower nitrification rate compared to non-starved cells. The maximum accumulation capacity observed was 8.51% (w/w) independently of the external nitrogen concentration, at a range of 250–750 mg N L−1, while pH significantly affected ammonia oxidizers’ response, with alkaline values enhancing nitrogen uptake. In total, ammonia accumulation after short-term starvation might serve as an important strategy that helps AOB restore their activity, while concurrently it could be applied in wastewater treatment for effective nitrogen removal and subsequent biomass utilization