Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι μεταβολές του ολικού φωσφόρου σε φυτά γλυκού σόργου (Sorghum bicolor (L) Moench) ποικιλίας Keller και του διαθέσιμου φωσφόρου στο έδαφος. Ακολουθήθηκαν δύο χειρισμοί διαχείρισης, ο βιολογικός και ο συμβατικός. Σκοπός της εργασίας ήταν να διαπιστωθεί εάν οι πρακτικές βιολογικής διαχείρισης της γονιμότητας του εδάφους που εφαρμόστηκαν ήταν επαρκείς για την κάλυψη των αναγκών του γλυκού σόργου σε φώσφορο, προκειμένου να επιτευχθούν αποδόσεις που να προσεγγίζουν τις αποδόσεις του συμβατικού τρόπου καλλιέργειας. Τα πειράματα πεδίου πραγματοποιήθηκαν σε αγρόκτημα στο χώρο του Πανεπιστημίου Πατρών (θέση: ΓΠ: 38° 25΄ Β, ΓΜ: 21° 8΄ Α) την περίοδο 2003-2004. Η συσσώρευση φωσφόρου από τα φυτά του γλυκού σόργου ακολούθησε σιγμοειδή μεταβολή με το χρόνο και στους δυο χειρισμούς όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία. Με τα φυτά του συμβατικού να προσλαμβάνουν λίγο περισσότερο φώσφορο. Η αύξηση της ξηρής βιομάζας ήταν επίσης σιγμοειδής μεταβολή με το χρόνο και στους δύο χειρισμούς, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία. Οι τελικές αποδόσεις ήταν της τάξεως των 24,47 t/ha για το βιολογικό χειρισμό και 23,42 t/ha για το συμβατικό. Τιμές που βρίσκονται στα επίπεδα που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για τη συμβατική καλλιέργεια του γλυκού σόργου στη νότια Ευρώπη. Επομένως ο τρόπος διαχείρισης του εδαφικού φωσφόρου δεν επηρέασε τις τελικές αποδόσεις σε ξηρή υπέργεια βιομάζα στην καλλιέργεια του γλυκού σόργου. Η βιολογική διαχείριση του φωσφόρου στην καλλιέργεια του γλυκού σόργου, σε έδαφος με επάρκεια φωσφόρου έδωσε ικανοποιητικές τελικές αποδόσεις βιομάζας. Ενώ οι επιπλέον προσθήκες φωσφορικών λιπασμάτων στη συμβατική διαχείριση πιθανόν να ήταν πλεονασματικές και να επιβάρυναν το περιβάλλον. / In the present work was studied the total phosphorus fluctuation of sweet sorghum plants (Sorghum bicolor (L) Moench, variety Keller) and the available phosphorus in the soil. Two treatment practices were followed, the biological and the conventional one. Aim of the study was to ascertain whether the applied soil fertility practices of the biological management were sufficient in terms of the crop’s phosphorus nutrition, in order to achieve yields approaching those of the conventional one. Field experiments were conducted at the Patras’ University farm (lat. 38o 25׳ B, long. 21o 8׳A) during the period 2003-2004. The phosphorus uptake of sweet sorghum plants followed a sigmoid variation with time at both treatments as mentioned in literature with plants under conventional treatment taking up slightly higher amounts of phosphorus. Dry matter growth followed the same sigmoid variation in time at both treatments, according to literature. The total yields reached 24.47 t/ha for the biological treatment and 23.42 t/ha for the conventional one. These values were within the levels reported in literature for conventional treatment of sweet sorghum in southern Europe. Thus, soil phosphorus management practices had no effect on total above the ground dry matter yields of sweet sorghum. Biological management of phosphorus in the cultivation of sweet sorghum in a soil sufficient in phosphorus gave satisfactory total dry matter yields. Further addition of phosphates during conventional treatment was possibly excessive and may have harmed the environment.

Η εκμετάλλευση της ενέργειας των φυτών αποτελεί σημαντικό ελπιδοφόρο τομέα εναλλακτικών μορφών ενέργειας. Η αξία των ενεργειακών φυτών γίνεται ακόμα μεγαλύτερη όταν αυτά παράγονται με βιολογικό κι όχι με το συμβατικό τρόπο (χημικά πρόσθετα). Η παρούσα εργασία μελετά τον τρόπο ανάπτυξης/αύξησης της ποικιλίας Keller του γλυκού σόργου (Sorghum bicolor Moench) υπό τη συμβατική και βιολογική μέθοδο καλλιέργειας. Συγκεκριμένα, α) το βαθμό διαφοροποίησης των αγροβιολογικών και αυξητικών χαρακτηριστικών (ύψος φυτού, αριθμός φύλλων, αριθμός κόμβων,) υπό το συμβατικό και βιολογικό τρόπο καλλιέργειας, και β) την επίδραση της θερμοκρασίας και της φωτοπεριόδου στη γεωμετρία (μήκος, πλάτος, φυλλική επιφάνεια) των φύλλων του γλυκού σόργου. Για το σκοπό αυτό, εγκαταστάθηκε καλλιέργεια γλυκού σόργου σε αγρόκτημα του Πανεπιστημίου Πατρών κατά τις καλλιεργητικές περιόδους 2003, 2004 και 2005. Βρέθηκε ότι ο ρυθμός μεταβολής στο χρόνο και οι μέγιστες τιμές των παραμέτρων του ύψους, του αριθμού φύλλων, του αριθμού κόμβων, του μήκους φύλλου, του πλάτους φύλλου και της φυλλικής επιφάνειας του γλυκού σόργου που καλλιεργείται με βιολογικό τρόπο δεν διαφέρει σημαντικά έναντι του συμβατικού. Επίσης, ο συνδυασμός φωτοπεριόδου και θερμοκρασίας (εκφραζόμενος υπό του φωτοθερμοχρόνου) φαίνεται να είναι καθοριστικός στο δυνητικό αριθμό φύλλων, ενώ η θερμοκρασία (θερμοχρόνος) φαίνεται να είναι καθοριστική στις γεωμετρικές παραμέτρους του φύλλου και εντέλει στη φωτοσυνθετική επιφάνεια και φωτοσυνθετική δυνατότητα των φυτών. Γενικότερα, η βιολογική καλλιέργεια του γλυκού σόργου μπορεί να προταθεί ανεπιφύλακτα έναντι της συμβατικής με σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη από τη μη χρήση χημικών λιπασμάτων και άλλων χημικών επιπρόσθετων. / The exploitation of the energy potential of the plants is a dynamic aspect of the alternative agriculture. The value of energy plants is highly increased when they are the crop product of biological and not of conventional (chemical inputs) mode of cultivation. The present research investigates the developmental/growth pattern of sweet sorghum [Sorghum bicolor (L) Moench cv. Keller] under biological and conventional mode of cultivation; specifically the a) differentiation of agrobiological and growth characteristics (plant height, number of leaves, number of nodes), and b) the impact of temperature and photoperiod in geometry (length, width, leaf area) of the leaves of sweet sorghum. For these purposes, a cultivation of sweet sorghum was established in the farm of Patra’s University in 2003, 2004, 2005. It was found that the seasonal changes and the peak values of plant’s height, number of leaves, number of nodes, leaf length, leaf width, leaf area of sorghum plants biologically cultivated did not significantly differ from the plants conventionally cultivated. Also, the combined effect of photoperiod and temperature (in terms of photothermal time) determines the potential number of leaves, while the effect of temperature per se (in terms of thermal time) determines the leaf shape parameters, and in a final stage, the photosynthetic area and effectiveness of the plants. Generally, the biological cultivation of sweet sorghum is un-doubtfully suggested, in contrast to the conventional, with the additional environmental benefits of not using chemical fertilization and chemical inputs.

Η αναερόβια χώνευση αποτελεί στις μέρες μας μια σημαντική βιολογική διεργασία απομάκρυνσης του οργανικού φορτίου των αποβλήτων με ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας υπό μορφή βιοαερίου (μίγμα μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα). Η χρήση υποστρωμάτων φυτικής προέλευσης (βιομάζα) και κυρίως ενεργειακών φυτών έχει αποδειχθεί ότι μπορεί να δώσει υψηλές αποδόσεις σε βιοαέριο. Στη διδακτορική αυτή διατριβή μελετήθηκε η αναερόβια επεξεργασία του στερεού/υγρού αποβλήτου που προέρχεται από την αλκοολική ζύμωση του γλυκού σόργου, αλλά και η χρήση του αυτού καθ’ αυτού γλυκού σόργου, προκειμένου να εξεταστούν ο ρυθμός υδρόλυσης και αποδόμησης της οργανικής ύλης και η ικανότητα των αναερόβιων συστημάτων να επεξεργάζονται τέτοιου είδους υποστρώματα και να παράγουν ενέργεια υπό μορφή βιοαερίου. Στόχος της παρούσης εργασίας ήταν η ανάπτυξη ενός καινοτόμου διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης στερεών αποβλήτων και βιομάζας, όπου τα στάδια της υδρόλυσης και της μεθανογένεσης διαχωρίζονται, προκειμένου να μελετηθεί χωριστά για κάθε στάδιο η βελτιστοποίηση των συνθηκών λειτουργίας του και οι επιμέρους παράμετροι που επηρέαζαν τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης, με απώτερο σκοπό τη μεγιστοποίηση της παραγωγή του βιοαερίου. Τα υπολείμματα του αποβλήτου της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου μετά και από την απομάκρυνση της αιθανόλης με απόσταξη, αποτελούνταν από ένα δύσκολα βιοαποδομήσιμο στερεό/υγρό μίγμα υψηλής συγκέντρωσης στερεών (9% TS) και υψηλής συγκέντρωσης χημικά απαιτούμενου οξυγόνου ΧΑΟ (~115 g/l). Αρχικά, εξετάσθηκε η πιθανότητα η υδρόλυση και η χώνευση του αποβλήτου της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου να γίνει σε σύστημα ενός σταδίου. Οι βέλτιστες συνθήκες της αναερόβιας χώνευσης του αποβλήτου αυτού προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας διαφορετικές οργανικές φορτίσεις, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η υδρόλυση των στερεών ήταν το περιοριστικό βήμα της διεργασίας. Έτσι, το απόβλητο διαχωρίστηκε σε δύο φάσεις, στερεή και υγρή, όπου μελετήθηκε χωριστά το στάδιο της υδρόλυσης και της χώνευσης, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι μια αποδοτική επεξεργασία του αποβλήτου απαιτεί το διαχωρισμό της στερεής από την υγρή φάση, ώστε να βελτιστοποιηθούν οι συνθήκες της αναερόβιας χώνευσης για κάθε φάση χωριστά, μεγιστοποιώντας τους διαφορετικούς ρυθμούς υδρόλυσης και αποδόμησης της στερεής και της υγρής φάσης, καταλήγοντας σε μια περισσότερο αποδοτική διάταξη αναερόβιας χώνευσης. Έτσι δημιουργήθηκε ένα σύστημα αναερόβιας χώνευσης δύο σταδίων αποτελούμενο από έναν θερμόφιλο υδρολυτικό και έναν μεσόφιλο ταχύρυθμο μεθανογόνο χωνευτήρα, όπου εξετάστηκε η απόδοση του συστήματος σε μεθάνιο. Ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου του συστήματος έφτασε τα 16 l CH4/l αποβλήτου με συνολικό υδραυλικό χρόνο παραμονής 19d. Στη συνέχεια, το διβάθμιο αναερόβιο σύστημα που αναπτύχθηκε, χρησιμοποιήθηκε και σε πειράματα αναερόβιας χώνευσης με υπόστρωμα το γλυκό σόργο. Το ενεργειακό αυτό φυτό βιβλιογραφικά θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, το οποίο κάτω από συγκεκριμένες βιολογικές διεργασίες μπορεί να δώσει υψηλές αποδόσεις ενέργειας, υπό μορφή βιοαερίου. Ένα μεγάλο μέρος του γλυκού σόργου αποτελείται από εύκολα διαλυτούς υδατάνθρακες. Έτσι πριν την αναερόβια επεξεργασία του, εφαρμόστηκε ένα στάδιο υδατικής εκχύλισης. Το εκχυλισμένο υγρό κλάσμα πλούσιο σε ΧΑΟ (14-34 g/l) και το στερεό υπόλειμμα της εκχύλισης με 20% ολικά στερεά και υψηλό ΧΑΟ (~1,2 g/g VS) τροφοδοτήθηκαν στο καινοτόμο διβάθμιο αναερόβιο σύστημα, επιτυγχάνοντας 70-80% υδρόλυση των στερεών, με ταυτόχρονα υψηλή παραγωγή μεθανίου της τάξεως του 0,63 l/l αντιδραστήρα/d και υδραυλικό χρόνο παραμονής του συστήματος 22d. Συμπερασματικά, το διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης λειτούργησε το ίδιο αποτελεσματικά και με τα δύο υποστρώματα, με ικανοποιητικές αποδόσεις όσον αφορά την υδρόλυση των στερεών και την παραγωγή βιοαερίου, αποδεικνύοντας έτσι και την ευρύτερη εφαρμογή του στο τομέα της παραγωγής ενέργειας από βιομάζα (ενεργειακά φυτά). Προτείνεται η μελέτη διαφόρων μαγιών, όπως είναι η αγελαδοκοπριά, η χρήση της οποίας φέρει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και ιδιότητες τα οποία βελτιώνουν τις αποδόσεις ως προς τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης του στερεού γλυκού σόργου. / In our days anaerobic digestion has received an increasing interest, as it is an effective method for the biological treatment of a variety of organic wastes, by degrading the organic matter and converting it into energy in the form of biogas (a mixture of methane and carbon dioxide). The use of biomass, especially energetic plants, as substrate has been proved that could yield a high biogas production. In this research work, the anaerobic treatment of the solid/liquid wastes from alcohol fermentation of sweet sorghum, but also the use of the cultivated sweet sorghum as substrate was investigated, in order to study the hydrolysis and degradation rates of organic matter and the ability of anaerobic systems to produce energy in the form of biogas using such solids substrates. The main aim of this work was the development of an innovative two-stage anaerobic digestion system for solid wastes and biomass, in which hydrolysis and methanogenesis was taking place in two different bioreactors (a hydrolyser and a methanizer) respectively. Hence, it was possible to investigate for each separate stage the optimal operating conditions and parameters that affect the anaerobic digestion process with the intention to maximize the biogas production. The sweet sorghum residues stream, originating from the alcoholic fermentation of sweet sorghum and the subsequent distillation step, contained high concentration of solid matter (9% TS) and thus could be characterized as a semi-solid, not easily biodegradable wastewater with high COD (115 g/l). At first, the possibility of direct hydrolysis and digestion of bioethanol process sludge (sweet sorghum residues) in a single-stage system was examined. Optimal conditions for the anaerobic digestion of this particular waste were determined using different organic loadings, concluding that solids hydrolysis was the process limiting step. Thus, in order to optimize the process performance, it was suggested to separate the solid and liquid phases of the wastewater and to treat the two streams under different operating conditions. Hence, a novel two-stage anaerobic bioreactor system consisted of a thermophilic hydrolyser and a mesophilic high-rate methaniser was made. The application of the proposed two-stage configuration achieved a methane production of 16 l/l wastewater under a hydraulic retention time of 19 days. Energetic plants such as sweet sorghum are a promising renewable energy resource. The energy contained in the chemical bonds of carbohydrates could be converted to fuels such as methane through anaerobic digestion. The anaerobic conversion of sweet sorghum to biogas was studied using the novel two-stage bioreactor system. Since a large portion of carbohydrates in sorghum were easily extractable, a water extraction step was preceded. The extracted liquid portion of sweet sorghum, rich in COD (14-34 g/l) and the remaining solid portion with 20% total solids and high COD (~1,20 g/g VS), were treated successfully in a two-stage anaerobic digestion system achieving a solids hydrolysis of 70-80% with a high simultaneous methane production on the order of 0,63 l/l reactor/d under a hydraulic retention time of 22 days. It could be concluded that using a two-stage anaerobic digestion system in treatment of organic materials with high solids concentration, performs efficiently in hydrolysis of solids and production of biogas and could be employed for energy production from biomass (such as energetic plants). Finally, a study over the use of other microbial biomasses, such as cow manure, which seems that has particular properties that improve the anaerobic digestion yields during processing of lingocellulosic materials, is proposed.

Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας παραγωγής υδρογόνου από καθαρές καλλιέργειες του μικροοργανισμού Ruminococcus albus εστιάζοντας κυρίως στο μηχανισμό της διεργασίας. Ο R. albus είναι ένα ετερότροφο, αυστηρά αναερόβιο βακτήριο που διαβιεί στο πρώτο διαμέρισμα του τετραμερούς στομάχου των μηρυκαστικών, τον κεκρύφαλο (rumen). Αναπτύσσεται καταναλώνοντας τους σύνθετους υδατάνθρακες που φτάνουν εκεί μέσω της πρόσληψης τροφής από το μηρυκαστικό, αφού πρώτα τους υδρολύσει μέσω εξωκυτταρικών ενζύμων που παράγει. Τα προϊόντα της υδρόλυσης είναι απλοί υδατάνθρακες που ζυμώνονται περαιτέρω προς παραγωγή λιπαρών οξέων, αιθανόλης, διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου. Η ικανότητα παραγωγής υδρογόνου και η τελική απόδοση εξαρτώνται από τις συνθήκες υπό τις οποίες πραγματοποιείται η ανάπτυξη. Ο R. albus πιστεύεται ότι είναι πολλά υποσχόμενος για την παραγωγή υδρογόνου από αγροτικά υπολείμματα που είναι πλούσια σε λιγνοκυτταρινούχα υλικά καθώς και ενεργειακά φυτά , όπως είναι το γλυκό σόργο. Οι βλαστοί του γλυκού σόργου είναι πλούσιοι σε σάκχαρα, κυρίως σακχαρόζη σε ποσοστό έως και 55% επί ξηρής μάζας και γλυκόζη (3.2% επί ξηρής μάζας) που απομακρύνονται εύκολα μέσω της διεργασίας εκχύλισης με νερό. Οι βλαστοί του γλυκού σόργου περιέχουν επίσης μεγάλο ποσοστό κυτταρίνης (12.4%) και ημικυτταρίνης (10.2%). Προκειμένου να μελετηθεί ο μεταβολισμός του βακτηρίου και να υπολογιστούν οι κινητικές σταθερές πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και αντιδραστήρες συνεχούς τροφοδοσίας (CSTR). Ως πηγές άνθρακα χρησιμοποιήθηκαν διάφορα απλά υδατανθρακικά υποστρώματα καθώς και βιομάζα από το ενεργειακό φυτό Sorghum bicolor (γλυκό σόργο). Τα κύρια προϊόντα που ανιχνεύτηκαν σε όλες τις περιπτώσεις ήταν τα οξέα οξικό και μυρμηκικό, η αιθανόλη και το υδρογόνο. Η απόδοση σε υδρογόνο ήταν γενικά μεγαλύτερη στα πειράματα διαλείποντος έργου. Ειδικότερα για τα πειράματα με γλυκόζη, η απόδοση κυμαινόταν μεταξύ των τιμών 2 και 2.6 mol H2/mol γλυκόζης στις καλλιέργειες διαλείποντος έργου, ενώ η βέλτιστη απόδοση από τις συνεχείς καλλιέργειες ήταν 1.07± 017 mol H2/mol γλυκόζης για υδραυλικό χρόνο παραμονής 42 h. Η τελική τιμή απόδοσης παρουσίαζε εξάρτηση από τη μερική πίεση υδρογόνου στην αέρια φάση των καλλιεργειών, το αναγωγικό μέσο για την εξασφάλιση αναγωγικών συνθηκών καθώς και την ποσότητα παραγόμενης αιθανόλης. Η κινητική μικροβιακής ανάπτυξης και παραγωγής υδρογόνου μελετήθηκε μέσω των πειραμάτων με γλυκόζη και η δεύτερη συνδέθηκε μέσω κινητικών εξισώσεων με την διάσπαση του μυρμηκικού οξέος και την παραγωγή αιθανόλης. Άλλα απλά υποστρώματα που μελετήθηκαν είναι οι πεντόζες D- και L-αραβινόζη και η D-ξυλόζη, οι δισακχαρίτες κελλοβιόζη και σακχαρόζη, για τα οποία υπολογίστηκαν οι κινητικές ανάπτυξης του μικροοργανισμού και βέβαια η βιομάζα σόργου, το εκχύλισμα σόργου και τα υπολείμματα σόργου μετά την εκχύλισή του. Οι αποδόσεις σε υδρογόνο ήταν πολλά υποσχόμενες σε όλες τις περιπτώσεις. / The aim of the present work was to investigate the process of hydrogen production using pure cultures of fibrolytic bacterium Ruminococcus albus, focusing mainly on the mechanism of the activity. R. albus is an important fibrolytic bacterium of the rumen, where it cohabits with other bacteria and protozoa. R. albus can ferment soluble sugars and also complex carbohydrates, such as cellulose and hemillulose, after breaking them down through the extracellular enzymes it produces. Regardless the initial substrate used a significant amount of hydrogen evolves from the fermentation process. Previous research with pure cultures of R. albus and whole sorghum, sorghum extract and lignocellulosic residues as substrate, lead to very promising hydrogen yields. Moreover, it was shown that sorghum biomass can be used for hydrogen production with high and similar final yields, independent on whether the process takes place in one stage, i.e. when both simple and complex carbohydrates are fermented in the same fermentor, or in two stages i.e. when sorghum extract and extraction residues are fermented separately. Therefore, it is believed that R. albus is very promising for the production of hydrogen from agricultural residues rich in lignocellulosic materials and from energy crops, such as sweet sorghum which contains soluble sugars and complex carbohydrates in almost equal amounts. Sweet sorghum is an annual C4 plant of tropical origin, well-adapted to sub-tropical and temperate regions and highly biomass-productive. Sweet sorghum stalks are rich in sugars, mainly in sucrose that amounts up to 55% of dry matter and in glucose (3.2% of dry matter). They also contain cellulose (12.4%) and hemicelluloses (10.2%). Extraction of free sugars from the stalks is easily achieved by extraction with water at 30°C. After the extraction process a liquid fraction, rich in sucrose, and a solid fraction, containing the cellulose and hemicelluloses, are obtained. The liquid fraction could be directly fermented to hydrogen, whereas the solid fraction should first be hydrolyzed in order to fully exploit the potential of the sorghum biomass for biohydrogen production In order to study the metabolism of bacterium and estimate growth and hydrogen production kinetics, batch and continuous experiments were carried out with glucose as carbon source. Besides glucose pentoses and disaccharides were tested as well, and the growth kinetics on these substrates were estimated.. The main products that were detected in all the cases were acetate, formate, ethanol and hydrogen. Hydrogen yield was generally higher in batch experiments. More specifically glucose experiments showed yields varying between the values 2 and 2.6 mol H2/mol of glucose in batch cultures, while the optimum yield in continuous cultures was 1.07± 017 mol H2/mol of glucose when the hydraulic retention time was 42h. The final hydrogen yield seemed to depend on hydrogen partial pressure, the reducing agent used and the final amount of ethanol.. The production of hydrogen was studied with glucose experiments and was connected via kinetic equations with formate breaking down acid and ethanol production. The other simple substrates that were studied were the pentoses D - and L-arabinose and the D-xylose, the disaccharides cellobiose and sucrose, for which the growth constants were calculated. Subsequently whole sorghum biomass, sorghum extract and lignocellulosic sorghum residues were tested and the experimental results were simulated. The simulations were sufficient in all cases, and hydrogen yields were very promising.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η συνδυασμένη παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου από την ενεργειακή καλλιέργεια του γλυκού σόργου. Το γλυκό σόργο είναι ένα μονοετές ενεργειακό φυτό, μεγάλης φωτοσυνθετικής ικανότητας, πλούσιο σε υδατάνθρακες, το οποίο θεωρείται ιδανικό για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Η παραγωγή του υδρογόνου από τα σάκχαρα του σόργου, πραγματοποιήθηκε μέσω της ενδογενούς βακτηριακής καλλιέργειας του φυτού, γεγονός που καθιστά τη διεργασία όχι μόνο τεχνικά αλλά και οικονομικά ελκυστική. Σε πρώτο στάδιο, μελετήθηκε η επίδραση των λειτουργικών συνθηκών στη ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου από τα διαλυτά σάκχαρα του γλυκού σόργου, μέσω μικτής μικροβιακής καλλιέργειας, σε συνεχή μεσόφιλο, βιοαντιδραστήρα. Στη συνέχεια, η πλούσια σε οργανικό φορτίο απορροή του ζυμωτικού υδρογονοπαραγωγού βιοαντιδραστήρα, υπέστη περαιτέρω επεξεργασία σε συνεχή μεσόφιλο αναερόβιο χωνευτήρα, με ταυτόχρονη παραγωγή μεθανίου. Το μοντέλο ADM1 (Anaerobic Digestion Model No 1), χρησιμοποιήθηκε για τη μαθηματική προσομοίωση και των δύο βιοδιεργασιών. Η δομή του μοντέλου τροποποιήθηκε προκειμένου να βελτιωθούν οι προβλέψεις για τη διεργασία παραγωγής υδρογόνου. Τέλος, πραγματοποιήθηκε οικονομική αποτίμηση της βιωσιμότητας της συνολικής διεργασίας παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου, από το γλυκό σόργο. Η παραγωγή βιοκαυσίμων, με τον τρόπο που έχει σχεδιαστεί, αποδείχτηκε οικονομικά μη συμφέρουσα, αλλά με κάποιες βελτιώσεις πιθανό να αποτελέσει ανταγωνιστική τεχνολογία, στο κοντινό μέλλον. / In the present study we investigated the hydrogen and methane production from sweet sorghum biomass. Sweet sorghum is an annual plant, characterized by high photosynthetic efficiency. Sweet sorghum biomass is rich in readily fermentable sugars and thus it can be considered as an excellent raw material for biofuels generation. It is the first time that this plant is used for the production of hydrogen, although ethanol and methane are among the best-known microbial products produced from sweet sorghum. Τhe fermentative production of hydrogen was achieved using an indigenous mixed microbial culture. The present study concerns the fermentative production of hydrogen from the sugars contained in sorghum extract. The process took place in a mesophilic continuous stirred tank type bioreactor, by an indigenous mixed microbial culture and it was studied at various conditions. Τhe subsequent anaerobic treatment of the effluent of the fermentative hydrogenogenic reactor with the simultaneous production of methane was investigated in a continuous stirred tank type reactor operated at three hydraulic retention times. The recently developed anaerobic model ADM1 was used to simulate the anaerobic digestion process and the fermentative hydrogen production process. However the structure of the model was modified, in order to improve the predictions for biohydrogen production. Finally, technoeconomic analysis was performed to determine the potential economic viability of the process. Biohydrogen and methane production from sweet sorghum biomass was not economic feasible; therefore improvement of the process design is necessary.

Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν να μελετηθεί η επίδραση των εντομοπαθογόνων μυκήτων Beauveria bassiana Balsamo (Vuillemin) (Hypocreales: Cordycipitaceae), Metarhizium robertsii (Metchnikoff) Sorokin (Hypocreales: Clavicipitaceae) και Isaria fumosorosea (Wize) Brown & Smith (Hypocreales: Clavicipitaceae), πουαπομονώθηκαν από ελληνικά εδάφη, επί του κυριότερου και πιο επιβλαβούς εχθρού της καλλιέργειας του γλυκού σόργου, του λεπιδόπτερου Sesamia nonagrioides (Lefebvre) (Lepidoptera: Noctuidae). Μελετήθηκε στο εργαστήριο η επίδραση έξι στελεχών των παραπάνω μυκήτων στην επιβίωση των προνυμφών του εντόμου. Τα στελέχη των μυκήτων προκάλεσαν υψηλή θνησιμότητα στις προνύμφες του εντόμου, που κυμάνθηκε σε ποσοστά από 78%-98%. Αποτελεσματικότερα στελέχη ήταν τα B. bassiana (ΙΓΕ3), M. robertsii (Elateridae) και I. fumosorosea (Άγιος Στέφανος). Αυτές οι τρείς απομονώσεις επιλέχθηκαν προκειμένου να εξεταστεί η επίδραση της πυκνότητας των κονιδιακών εναιωρημάτων στη θνησιμότητα των προνυμφών. Καταγράφηκαν ποσοστά θνησιμότητας 7%-93% σε σχέση με την πυκνότητα των κονιδιακών εναιωρημάτων επί των προνυμφών. Διαπιστώθηκε ότι η ικανότητα που παρουσιάζουν οι εντομοπαθογόνοι μύκητες στον έλεγχο της επιβίωσης προνυμφών του εντόμου ήταν ανάλογη της χρησιμοποιημένης πυκνότητας των κονιδιακών εναιωρημάτων. Επίσης, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση των εντομοπαθογόνων μυκήτων B. bassiana (ΙΓΕ3) και M. robertsii (Elateridae) με εμπορικό σκεύασμα Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki όσον αφορά τη θανάτωση προνυμφών του εντόμου S. nonagrioides. Η θνησιμότητα των προνυμφών καταγράφηκε καθημερινά για δεκαέξι ημέρες και κυμάνθηκε από 56-100% για τον M robertsii μαζί με το B thuringiensis subsp. kurstaki και 54-100% για τον B. bassiana μαζί με το βάκιλο. Επίσης, η συνδυασμένη δράση των μικροοργανισμών υπολογίστηκε για την όγδοη, δέκατη τρίτη και τη δέκατη έκτη μέρα και βρέθηκε προσθετική στους περισσότερους συνδιασμούς για την δέκατη τρίτη και δέκατη έκτη μέρα ενώ την όγδοη μέρα η συνδυαστική δράση των παθογόνων βρέθηκε αρνητική στους περισσότερους συνδιασμούς και χαρακτηρίζεται ως ανταγωνιστική. Η ανάπτυξη των εντομοπαθογόνων μυκήτων όταν καλλιεργήθηκαν σε θρεπτικό υπόστρωμα που περιείχε υδατικό διάλυμα B. thuringiensis subsp. kurstaki, δεν επηρεάστηκε από την παρουσία του βακτηρίου. Ο συνδυασμός του B. thuringiensis subsp. kurstaki με τους εντομοπαθογόνους μύκητες που εξετάσαμε είχε ως αποτέλεσμα να αυξηθεί η θνησιμότητα των προνυμφών του S. nonagrioides. Τα στελέχη ΙΓΕ3, Elateridae και Άγιος Στέφανος των εντομοπαθογόνων μυκήτων B. bassiana, M. robertsii και I. fumosorosea αντίστοιχα, δοκιμάστηκαν επί των προνυμφών του S. nonagrioides σε τρεις κονιδιακές συγκεντρώσεις και μελετήθηκε η επίδρασή τους στην πρόσληψη τροφής, στην κατανάλωση τροφής και στην ανάπτυξη των προνυμφών. Παρατηρήθηκε μείωση της πρόσληψης τροφής από προνύμφες 3ης προνυμφικής ηλικίας σε ποσοστά 41-81%, μείωση του βάρους τους κατά 29-45% και μείωση των απορριμάτων κατά 46-81%. Παρατηρήθηκε επίσης ελάττωση της σχετικής ταχύτητας ανάπτυξης των προνυμφών κατά 31-72% και της σχετικής ταχύτητας κατανάλωσης τροφής κατά 12-35%. Τέλος, ο δείκτης πεπτικότητας, ο δείκτης μετατροπής της προσληφθείσας τροφής και ο δείκτης μετατροπής της αφομοιωμένης τροφής ήταν υψηλότεροι σε σχέση με τους αντίστοιχους του μάρτυρα. Τα παραπάνω αποτελέσματα υποδεικνύουν ενδεχομένως ότι η μόλυνση από τους εντομοπαθογόνους μύκητες προκαλεί επιδείνωση σε ορισμένες τροφικές διεργασίες της προνύμφης που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην υπονόμευσή της από ασιτία. Επίσης πραγματοποιήθηκαν πειράματα στο πεδίο προκείμενου να μελετηθεί η επίδραση της ενδοφυτικής παρουσίας των εντομοπαθογόνων μυκήτων B. bassiana, M. robertsii και I. fumosorosea στις προνύμφες του εντόμου S. nonagrioides in planta. Kαι οι τρείς μύκητες έδρασαν αποτρεπτικά απέναντι στην προσπάθεια των προνυμφών να εισέλθουν στο στέλεχος του φυτού. Οι προνύμφες της 4ης προνυμφικής ηλικίας που πέτυχαν να εγκατασταθούν στο στέλεχος των φυτών δημιούργησαν στοές μικρότερου μήκους παρουσία των μυκήτων, και η θνησιμότητά τους ήταν μεγαλύτερη, επιβεβαιώνοντας τα αποτελέσματα των in vitro πειραμάτων. Ως προς τις επιπτώσεις της παρουσίας των ενδοφύτων στο φυτό ξενιστή, η επίδραση της παρουσίας των μυκήτων στην ανάπτυξη, την τελική βιομάζα και την κατανομή της βιομάζας σε υπέργειους ή υπόγειους ιστούς των φυτών καταγράφηκε ως ουδέτερη. Η συγκέντρωση της χλωροφύλλης και η περιεκτικότητα σε νερό δεν παρουσίασαν μεταβολές που μπορούν να αποδοθούν στην παρουσία των ενδοφύτων. Ωστόσο, ορισμένες παράμετροι της φωτοσυνθετικής διαδικασίας (καθαρή φωτοσύνθεση, ταχύτητα ροής ηλεκτρονίων, η πιθανότητα μετατροπής της συλληφθείσας ενέργειας σε ροή ηλεκτρονίων, η πιθανότητα μεταφοράς ηλεκτρονίων από τους ενδιάμεσους φορείς μέχρι την αναγωγή των τελικών υποδοχέων στο PSI και ο δείκτης ζωτικότητας της φωτοσυνθετικής συσκευής PItotal) επηρεάστηκαν αρνητικά μετά την προσβολή των στελεχών του σόργου από τις προνύμφες του εντόμου. Η ενδοφυτική παρουσία των μυκήτων B. bassiana και M. robertsii απέτρεψε τις παραπάνω αρνητικές επιδράσεις. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής προσφέρουν ισχυρές ενδείξεις για επιτυχή χρησιμοποίηση ορισμένων στελεχών των εντομοπαθογόνων μυκήτων στον έλεγχο των προνυμφών του εντόμου S. nonagrioides τόσο στο εργαστήριο όσο και στο πεδίο. Επίσης, θα ήταν ενδιαφέρουσα η περαιτέρω μελέτη της χρήσης αυτών τωνεντομοπαθογόνων μυκήτων κάτω από συνθήκες μειωμένης διαθεσιμότητας νερού. / The aim of this study was to investigate the effect of entomopathogenic fungi Beauveria bassiana Balsamo (Vuillemin) (Hypocreales: Cordycipitaceae), Metarhizium robertsii (Metchnikoff) Sorokin (Hypocreales: Clavicipitaceae) and Isaria fumosorosea (Wize) Brown & Smith (Hypocreales: Clavicipitaceae), isolated from Greek soils against the main and most damaging pest of sweet sorghum, Mediterranean corn borer Sesamia nonagrioides (Lefebvre) (Lepidoptera: Noctuidae). Laboratory studies were performed to determine the effect of six strains of the above fungi on survival of larvae of S. nonagrioides. All strains of fungi causing high mortality among larvae, killed 78 - 98% of exposed larvae. The most effective were B. bassiana (IGE3), M. robertsii (Elateridae) and I. fumosorosea (Agios Stefanos). These three isolates were selected to examine the effect several conidial suspensions on the mortality of larvae. Recorded mortality was from 7% - 93% depending on the density of conidial suspensions used on larvae. From the above results was found that the capability provided by the entomopathogenic fungi to control the insect was according by the density of the conidial suspensions. Also, the interactions between commercial B. thuringiensis subsp. kurstaki and two entomopathogenic fungi were examined on larvae of S. nonagrioides in 8, 13 and 16 days post-treatment intervals. An overall positive interaction between the pathogens was observed and larval mortality at 16 days was 56–100% exposed to M. robertsii combined with B. thuringiensis subsp. kurstaki, whereas B. bassiana combined with B. thuringiensis subsp. kurstaki killed 54–100 % of exposed larvae. After 8 days, in 6 of the combinations, we found an additive relationship between the pathogens, whereas, a negative interaction was observed in 10 of them. In contrast, after 13 days, we observed a positive interaction in two combinations, which could be considered as synergistic, additive in ten combinations and negative in only four combinations. Finally, after 16 days, in eleven combinations we found an additive interaction, whereas negative interaction was recorded in five of them. We conclude that application of combined pathogens may be more effective for S.nonagrioides control. The strains IGE3, Elateridae and Agios Stefanos of B. bassiana, M. robertsii and I. fumosorosea respectively, were tested for their effectiveness on larval food intake, food consumption and larvae growth at three conidial concentrations. We observed a decrease in food intake by the larvae ranged between 41 and 81%, reduced larvae weight from 29 to 45% and reduced production of wastes from 46 to 81%. We also recorded significant differences in the relative growth rate of larvae, the relative consumption rate of larvae, the index digestibility, the conversion ratio of ingested food and the conversion ratio of assimilated food between infected and control individuals. Therefore, it is possible that infection of larvae by the fungi has an adverse effect on physiological and metabolic processes, which results in larva starvation. Subsequently, we performed experiments in the field, in order to investigate the plant–endophyte association behavior using B. bassiana, M. robertsii and I. fumosorosea, as well as the impact of these associations on larva activity when in planta and under environmental conditions. All three fungal species significantly prevented larvae from entering into plants’ stalk. Statistically significant differences were also observed in the length of tunnels created by larvae in the stem of the plant and in their mortality for individuals infected by the entomopathogenic fungi. These results confirm our findings of the in vitro experiments. Regarding the effect of endophytes on the host plant, a neutral impact was recorded for the development, final biomass and distribution of biomass to the aboveground and underground plant tissues. Temporary changes of chlorophyll concentration and leaf water content stability throughout the experimental period should not be attributed to the presence of endophytes. However, some aspects of the photosynthetic process (net photosynthesis, electron transport rate, as well as parameters of the photosynthetic machinery relative to electron flow round the two photosystems) negatively affected after infection of plants by the larvae. The presence of B. bassiana and M. robertsii ameliorated these adverse effects. The results of this study are strongly indicative of successful usage of certain fungi strains for biological control of S. nonagrioides larvae both in laboratory conditions and in the field.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι μεταβολές του ολικού αζώτου σε φυτά γλυκού σόργου (Sorghum bicolor (L) Moench) ποικιλίας Keller που καλλιεργήθηκαν με δύο τρό-πους διαχείρισης, το βιολογικό και το συμβατικό. Σκοπός της εργασίας ήταν να διαπιστωθεί εάν οι πρακτικές βιολογικής διαχείρισης της γονιμότητας του εδάφους που εφαρμόστηκαν ήταν επαρκείς για την κάλυψη των αναγκών του γλυκού σόργου σε άζωτο, προκειμένου να επιτευχθούν αποδόσεις που να προσεγγίζουν τις αποδόσεις του συμβατικού τρόπου καλλιέρ-γειας. Τα πειράματα πεδίου πραγματοποιήθηκαν σε αγρόκτημα στο χώρο του Πανεπιστημί-ου Πατρών (θέση: ΓΠ: 38° 25΄ Β, ΓΜ: 21° 8΄ Α) την περίοδο 2003-2004. Η αύξηση της ξηρής βιομάζας ακολούθησε την ίδια πορεία και στους δύο χειρισμούς, δείχνοντας σιγμοειδή μεταβολή με το χρόνο. Ο τρόπος διαχείρισης του εδαφικού αζώτου δεν επηρέασε τις αποδόσεις σε ξηρή βιομάζα, οι οποίες ήταν της τάξεως των 24,47 t ha-1 (σε φύλλα και βλαστό), εκ των οποίων το 86,5 % αφορούσε στους βλαστούς. Θεωρήθηκαν δε ικανοποιητικές, καθώς βρίσκονται στα επίπεδα που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για τη συμβατική καλλιέργεια του γλυκού σόργου. Η συγκέντρωση του αζώτου σε ολόκληρα τα φυτά και τα επιμέρους όργανα έδειξε ανα-μενόμενη διακύμανση κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου, ενώ δε διαπιστώθη-καν σημαντικές διαφορές ανάμεσα στους δύο χειρισμούς. Η πρόσληψη αζώτου από τα φυτά ακολούθησε διαφορετικά πρότυπα στους δύο χειρισμούς, με τα φυτά του βιολογικού χειρι-σμού να προσλαμβάνουν σημαντικά μεγαλύτερα ποσά στα πρώτα στάδια αύξησης, που είναι και τα πιο καθοριστικά για τη θρέψη των φυτών. Αν και το ολικό ποσό αζώτου που προσέ-λαβαν τα φυτά του βιολογικού χειρισμού σε όλη την καλλιεργητική περίοδο (10,39 g N m-2) ήταν μικρότερο από αυτό του συμβατικού χειρισμού (14,23 g N m-2), κυμάνθηκε στα επίπε-δα που δίνονται στη βιβλιογραφία. Οι αναλύσεις εδάφους έδειξαν ότι το μεγαλύτερο μέρος του ανόργανου αζώτου που προ-σέλαβαν τα φυτά προήλθε από το νιτρικό άζωτο. Οι πρακτικές διαχείρισης του εδαφικού αζώτου ευνόησαν τα φυτά του βιολογικού χειρισμού, τα οποία εντοπίσαμε ότι είχαν μία σημαντικά μεγαλύτερη ποσότητα διαθέσιμου ανόργανου αζώτου σε όλη τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Τέλος, οι δείκτες αζωτούχου θρέψης μας βοήθησαν να επιβεβαιώ-σουμε κάποια προηγούμενα συμπεράσματα, θεωρούμε, όμως, ότι απέτυχαν στο να αποδώ-σουν την πραγματική θρεπτική κατάσταση των φυτών. / In the present work we studied the tissue total nitrogen fluctuation of sweet sorghum plants (Sorghum bicolor (L) Moench, variety Keller), having been cultivated under conventional and alternative nutrient management strategies. Aim of the study was to ascertain whether the applied soil fertility practices of the biological management were sufficient in terms of the crop’s nitrogen nutrition, in order to achieve yields approaching those of the conventional one. Field experiments were conducted at the Patras’ University farm (lat. 38° 25΄ Β, long. 21° 8΄ Α) during the period 2003-2004. Dry matter growth followed the same pattern at both treatments, showing a sigmoid variation with time. Treatment had no effect on dry matter yields, which reached the 24,47 t ha-1 (leaves and stems), with stems accounting for 86,5 % of total dry matter yield. Dry matter yields were considered to be satisfying, as they matched the ones reported in literature for conventional management. The plant tissue nitrogen content exhibited an expected fluctuation during crop growth, while treatment had no major effect. Crop nitrogen uptake showed different patterns, with the biologically grown plants having acquired greater amounts during the early stages of development, which are considered to be the most determinative for plant nutrition. Despite the fact that the total amount of nitrogen uptaken by the plants of the biological treatment (10,39 g N m-2) was less than that of the conventional one (14,23 g N m-2), still the values were higher than those encountered in literature. Soil analysis suggested that the greater part of nitrogen acquired by the crop derived from nitrate nitrogen. Soil nitrogen management favoured the biologically treated plants, having at their disposal a significantly greater amount of available inorganic nitrogen throughout the growing season. Lastly, although nitrogen nutrition indices helped us to confirm some of the preceding outcomes, it is considered that they failed to reveal the actual nutritional state of the crop.

It is clear that renewable resources have received great interest from the international community during the last decades and play a crucial role in the current CO2-mitigation policy. In this regard, energy from biomass and waste is seen as one of the most dominant future renewable energy sources. Thus, organic waste i.e. animal wastes, wastewaters, energy crops, agricultural and agro-industrial residues are of specific importance since these sources do not compete with food crops in agricultural land usage. The various technologies that are available for power generation from biomass and waste can be subdivided into thermochemical, biochemical and physicochemical conversion processes. Anaerobic digestion (AD), classified within the biochemical conversion processes, is a robust process and is widely applied. Various types of biomass and waste, can be anaerobically co-digested to generate a homogeneous mixture increasing both process and equipment performance. This study focused on the valorization of agro-industrial wastes (such as olive mill wastewater (OMW), cheese whey (CW) and liquid cow manure (LCM)) and sweet sorghum stalks. Olive mills, cheese factories and cow farms are agro-industries that represent a considerable share of the worldwide economy with particular interest focused in the Mediterranean region. These industries generate millions of tons of wastewaters and large amounts of by-products, which are in many cases totally unexploited and thus dangerous for the environment. On the other hand, sweet sorghum as a lignocellulosic material represents an interesting substrate for biofuels production due to its structure and composition. Anaerobic co-digestion experiments using different mixtures of agro-industrial wastes were performed in a two-stage system consisting of two continuously stirred tank reactors (CSTRs) under mesophilic conditions (37°C). Subsequently, more mixtures were studied, where sweet sorghum was added, in order to simulate the operation of a centralized AD plant fed with regional agro-wastes which lacks OMW or/and CW due to seasonal unavailability. Two operational parameters were examined in a two-stage system, including pH and HRT. Batch experiments were performed in order to investigate the impact of controlled pH on the production of bio-hydrogen and volatile fatty acids, whereas continuous experiments (CSTRs) were conducted for the evaluation of HRT effect on hydrogen and methane production. Moreover, further exploitation of digestate from an anaerobic methanogenic reactor was studied using a combined ultrafiltration/nanofiltration system and further COD reduction was obtained. On the other hand, vermicomposting was conducted in order to evaluate the sludge transformation to compost and as a result, good results in terms of increased N-P-K concentration values were obtained. Furthermore, simulation of mesophilic anaerobic (co)-digestion of different substrates was applied, using the ADM1 modified model, where the results indicated that the modified ADM1 was able to predict reasonably well the steady-state experimental data. / Είναι φανερό ότι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της διεθνούς κοινότητας τις τελευταίες δεκαετίες καθώς διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην μείωση του CO2. Η ενέργεια από βιομάζα και απόβλητα θεωρείται ως μία από τις πλέον κυρίαρχες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας του μέλλοντος. Έτσι, τα οργανικά απόβλητα όπως κτηνοτροφικά, ενεργειακές καλλιέργειες, γεωργικά και βιομηχανικά υπολείμματα κ.ά έχουν ιδιαίτερη σημασία, δεδομένου ότι οι πηγές αυτές δεν ανταγωνίζονται με τις καλλιέργειες τροφίμων της γεωργικής γης και ωστόσο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και βιοκαυσίμων. Το αυξημένο ενδιαφέρον για τις διεργασίες που αφορούν στη μετατροπή της βιομάζας σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως είναι η αναερόβια χώνευση, τόνωσε την έρευνα σε αυτόν τον τομέα με αποτέλεσμα την υλοποίηση ενός σημαντικού αριθμού ερευνητικών έργων για να αξιολογηθούν οι ιδανικές συνθήκες χώνευσης διαφόρων υποστρωμάτων, όπως είναι τα αγροτο-βιομηχανικά απόβλητα και οι ενεργειακές καλλιέργειες. Στη παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκαν πειράματα αναερόβιας συγχώνευσης χρησιμοποιώντας αγροτο-βιομηχανικά απόβλητα ή/και γλυκό σόργο. Τα αγροτο-βιομηχανικά απόβλητα, όπως είναι τα απόβλητα ελαιοτριβείου, τυροκομείου αλλά και βουστασίου, χαρακτηρίζονται από υψηλό οργανικό φορτίο και συνεπώς θεωρούνται ακατάλληλα για απευθείας διάθεση σε περιβαλλοντικούς αποδέκτες. Συγχώνευση αυτών οδήγησε σε υψηλές αποδόσεις μεθανίου κάτι το οποίο οφείλεται σε συνεργιστικές επιδράσεις όπως η συμβολή επιπλέον αλκαλικότητας, ιχνοστοιχείων, θρεπτικών κτλ. Περαιτέρω μίγματα μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας το γλυκό σόργο με σκοπό την προσομοίωση λειτουργίας μιας κεντρικής μονάδας αναερόβιας χώνευσης, η οποία τροφοδοτείται με τοπικά απόβλητα τα οποία θα αντικατασταθούν σε περίοδο μη εποχικής διαθεσιμότητας από το γλυκό σόργο. Τα μίγματα αυτά μελετήθηκαν σε διβάθμιο σύστημα διερευνώντας την επίδραση των δύο σημαντικότερων λειτουργικών παραμέτρων (του pH και του υδραυλικού χρόνου παραμονής, HRT) στην απόδοση του συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση του pH στην παραγωγή υδρογόνου και μεταβολικών προϊόντων, ενώ πειράματα συνεχούς λειτουργίας διεξήχθηκαν για τη μελέτη της επίδρασης του HRT στην παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου σε διβάθμιο σύστημα. Περαιτέρω αξιοποίηση του χωνευμένου υπολείμματος μελετήθηκε με χρήση συνδυασμένου συστήματος υπερδιήθησης/νανοδιήθησης επιτυγχάνοντας επιπρόσθετη μείωση του οργανικού φορτίου στο διήθημα. Η μετατροπή της αναερόβια χωνευμένης ιλύος σε λίπασμα αξιολογήθηκε μέσω κομποστοποίησης με γεωσκώληκες (vermi-composting) επιτυγχάνοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα στην αύξηση των συγκεντρώσεων N-P-K. Επιπλέον, αναπτύχθηκε τροποποιημένο μοντέλο της αναερόβιας χώνευσης (ADM1) με στόχο την προσομοίωση της αναερόβιας συγχώνευσης διαφορετικών υποστρωμάτων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν έδειξαν ότι το μοντέλο ήταν σε θέση να προβλέψει σε ικανοποιητικό βαθμό την πορεία των πειραματικών δεδομένων.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη της δυναμικής του αζώτου σε καλλιέργεια γλυκού σόργου. Χρησιμοποιήθηκαν φυτά γλυκού σόργου [Sorghum bicolor (L) Moench] ποικιλίας Keller και πραγματοποιήθηκαν αφ’ ενός πειράματα στο πεδίο αφ’ ετέρου πειράματα σε πλαστικά δοχεία. Τα πειράματα πεδίου πραγματοποιήθηκαν σε αγρόκτημα του Πανεπιστημίου Πατρών, τις καλλιεργητικές περιόδους του 2004 και 2005, και περιλάμβαναν δύο χειρισμούς (βιολογική και συμβατική διαχείριση της γονιμότητας του εδάφους), με τρεις επαναλήψεις ο καθένας σε πλήρη τυχαιοποιημένη διάταξη. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων πεδίου, έδειξαν ότι η βιολογική διαχείριση της γονιμότητας του εδάφους ευνόησε τη διαθεσιμότητα του εδαφικού νιτρικού αζώτου. Το 2004, μέχρι και την ολοκλήρωση της άνθησης, τα φυτά του βιολογικού χειρισμού συσσώρευσαν περισσότερο άζωτο από ό,τι τα φυτά του συμβατικού χειρισμού, αν και οι διαφορές δεν ήταν στατιστικά σημαντικές, εκτός από τη δεύτερη δειγματοληψία, όπου τα φυτά του συμβατικού χειρισμού συσσώρευσαν 2,69 N gm-2, ενώ για τα φυτά του βιολογικού χειρισμού η αντίστοιχη τιμή ήταν 5,12 N gm-2. Το 2005, η συσσώρευση αζώτου ακολούθησε παρόμοια πορεία μέχρι τα μέσα της άνθησης και οι διαφορές δεν ήταν στατιστικά σημαντικές, εκτός από τη τρίτη δειγματοληψία, όπου τα φυτά του συμβατικού χειρισμού συσσώρευσαν 3,61 N gm-2, ενώ για τα φυτά του βιολογικού χειρισμού η αντίστοιχη τιμή ήταν 4,61 N gm-2. H επίδραση εμβολίων Azospirillum brasilense, σε παραμέτρους αύξησης φυτών γλυκού σόργου και στην πρόσληψη αζώτου από τα φυτά, υπό διαφορετικά επίπεδα αζωτούχου λίπανσης μελετήθηκε σε πειράματα σε πλαστικά δοχεία. Το κάθε πείραμα περιλάμβανε πέντε χειρισμούς με τριάντα επαναλήψεις, έκαστος. Τα φυτά που εμβολιάστηκαν με Azospirillum brasilense και έλαβαν τη μισή ποσότητα αζώτου, έδωσαν 7,69 g ξηρής βιομάζας φυτό-1 στο τέλος του πρώτου πειράματος και 4,89 g ξηρής βιομάζας φυτό-1 στο τέλος του δεύτερου πειράματος, ενώ τα φυτά που δέχθηκαν πλήρη λίπανση αζώτου χωρίς εμβόλιο έδωσαν 2,39 και 2,04 g ξηρής βιομάζας φυτό-1 στο τέλος του πρώτου και δεύτερου πειράματος αντιστοίχως. Οι διαφορές των χειρισμών ανά πείραμα ήταν στατιστικά σημαντικές. Το συνολικό προσλαμβανόμενο άζωτο από τα φυτά που εμβολιάστηκαν με Azospirillum brasilense και έλαβαν τη μισή ποσότητα αζώτου ήταν 153,23 και 99,96 mg φυτό-1 στο τέλος του πρώτου και του δεύτερου πειράματος αντιστοίχως. Οι τιμές ήταν υψηλότερες σε σχέση με τις τιμές του συνολικού προσλαμβανόμενου αζώτου των φυτών των λοιπών και οι διαφορές ήταν στατιστικά σημαντικές. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν υψηλή αξιοποίηση του εφαρμοζόμενου αζώτου των φυτών που εμβολιάστηκαν με Azospirillum. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν την βιωσιμότητα ενός βιολογικού συστήματος καλλιέργειας, όσον αφορά την κάλυψη των αναγκών των φυτών σε άζωτο. Η υψηλή αξιοποίηση του αζώτου από τα φυτά γλυκού σόργου, οδηγεί στη μείωση εφαρμογής αζωτούχων λιπασμάτων και συμβάλλει στη μείωση του κόστους καλλιέργειας, στη μείωση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και στην μείωση διήθησης νιτρικών στο υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα. / The aim of the present thesis was to study the nitrogen dynamics in sweet sorghum crop. Sweet sorghum plants [Sorghum bicolor (L) Moench] variety Keller were used, and field and experiments were conducted. Field experiments were conducted during 2004 and 2005 growing seasons at the experimental station of the University of Patras, Greece and there were two treatments (biological and conventional soil fertility treatment), in a randomized complete block experimental design with three replications. The results showed that biological soil fertility treatment favour soil nitrate nitrogen concentration. In 2004, until completion of blooming, nitrogen uptake was higher in plants cultivated on biological fertility treated soil than in them cultivated on conventional but the differences were not statistically significant, except in second sampling, which nitrogen uptake was 2,69 N gm-2 in plants cultivated on conventional fertility treated soil and it was 5,12 N gm-2 in plants cultivated on conventional fertility treated soil. In 2005, until half of blooming, nitrogen uptake was similarly ranged for both treatments but the differences were not statistically significant, except in third sampling, which nitrogen uptake was 3,61 N gm-2 in plants cultivated on conventional fertility treated soil and it was 4,61 N gm-2 in plants cultivated on conventional fertility treated soil. Τhe effect of Azospirillum brasilense inoculation on growth parameters and nitrogen uptake in sweet sorghum plants fertilized with various nitrogen levels, was studied during pot experiments. Each experiment was including five treatments and thirty replications of each. Plants inoculated with Azospirillum brasilense and receiving half amount of nitrogen fertilizer produced 7,69 g dry biomass plant-1 at the end of the first experiment and they produced 4,89 at the end of the second one, while plants receiving full amount of nitrogen fertilizer and no inoculation produced 2,39 and 2,04 g dry biomass plant-1 at the end of the first and second experiment, respectively. Differences among treatments in each experiment, were statistically significant. Total nitrogen uptake in Plants inoculated with Azospirillum brasilense and receiving half amount of nitrogen fertilizer was 153,23 and it was 99,96 mg plant-1 at the end of first and second experiment, respectively. Those plants showed higher nitrogen uptake than plants from each other treatment and the differences were statistically significant. Results showed that treatments which inoculated with Azospirillum brasilense were the most efficient in terms of nitrogen uptake. These results indicate that biological management provides an adequate nitrogen nutrition to sweet sorghum crop. High nitrogen efficiency in sweet sorghum plants leads in reduced applying nitrogen fertilization and contribute in reduced crop cost, in reduced emission of the greenhouse gas and in reduced leaching of NO3-N to ground water.