Politechnika Częstochowska Uniwersytetem Lille 1 we Francji
Transkrypt
Politechnika Częstochowska Uniwersytetem Lille 1 we Francji
Politechnika Częstochowska we współpracy z Uniwersytetem Lille 1 we Francji Streszczenie rozprawy doktorskiej Mgr inż. Agnieszki Rorat Assessment of the vermicomposting process applied to sewage sludge by monitoring of the compost quality and immune responses of three earthworm species: Eisenia fetida, Eisenia andrei and Dendrobaena veneta Ocena procesu wermikompostowania osadów ściekowych poprzez monitorowanie jakości produktu i odpowiedzi immunologicznej trzech gatunków dżdżownic kompostowych: Eisenia fetida, Eisenia andrei oraz Dendrobaena veneta Promotor pracy: Opiekun naukowy: Professor Małgorzata Kacprzak Professor Franck Vandenbulcke Promotor pomocniczy: Dr hab. inż. Krzysztof Fijałkowski 1 1. Wstęp Obecnie, gospodarka osadami ściekowymi stanowi ogromne wyzwanie w dziedzinie inżynierii środowiska. Implementacja prawa unijnego doprowadziła do istotnych zmian w polskim prawodawstwie i zobligowała do poszukiwania nowych rozwiązań w zakresie zagospodarowania tych odpadów. Nowoczesne technologie udoskonalają proces oczyszczania ścieków, jednak wciąż produkowane są ogromne ilości osadów. Oceniono, iż objętość produkowanego osadu ściekowego zwiększy się z 540292 Mg s.m./rok w 2013 do 642400 Mg s.m./rok w 2015 [1]. Zgodnie z danymi GUS, głównymi kierunkami zagospodarowania osadów ściekowych w 2013 były wciąż składowanie (19%), rolnictwo i rekultywacja (25%), spalanie (13%) i inne (43%) . Zgodnie z prawem Unii Europejskiej, składowanie osadów zostanie całkowicie zabronione od 2016 roku, wobec czego konieczne jest wprowadzanie nowych strategii. Wermikompostowanie to stosunkowo nowa eko-biotechnologia, wykorzystująca dżdżownice jako naturalne bioreaktory w procesie dekompozycji materii organicznej [2]. W Europie z powodzeniem stosuje się trzy gatunki tych bezkręgowców: Eisenia fetida, Eisenia andrei oraz Dendorbaena veneta, które będąc detrytusożercami w naturze, przyspieszają rozkład złożonych substancji organicznych i obieg materii organicznej. Pierścienice te pełnią istotną rolę organizmów modelowych w badaniach ekotoksykologicznych, biologicznych i genetycznych. Wybrane gatunki charakteryzują się dużą odpornością na zmieniające się warunki atmosferyczne i obecne w podłożu zanieczyszczenia, wysokim wskaźnikiem rozrodczości i niskim czasem koniecznym do osiągnięcia dojrzałości płciowej. Cechy te powodują, iż możliwym jest wprowadzenie dżdżownic do procesu kompostowania osadów ściekowych, których zagospodarowanie staje się wyzwaniem dla inżynierii i ochrony środowiska ze względu na konieczność spełnienia norm stawianych przez dyrektywy unijne. Ze względu na dużą zawartość szeregu zanieczyszczeń, w tym metali ciężkich, chemikaliów oraz mikroorganizmów patogennych, osady ściekowe nie mogą być bezpośrednio stosowane w rolnictwie. Wermikompostowanie, jako niedroga i skuteczna technika biodegradacji odpadów prowadzi do powstania kompostu o wysokiej jakości, jednak duża zawartość zanieczyszczeń substratu stanowi problem z punktu widzenia ekotoksykologii. Wybrane parametry fizyczno-chemiczne służą ocenie jakości uzyskanego produktu, podczas gdy biologiczne parametry układu odpornościowego dżdżownic mogą posłużyć jako narzędzia biomonitorowania procesu. 2 2. Hipotezy A) Modyfikacje procesu wermikompostowania wpływają na jakość uzyskanego produktu W ninijeszej pracy uwględniono parametry biotyczne i abiotyczne, które mogą wpływać na jakość produktu uzyskanego w procesie wermikompostowania. W serii eksperymentów zastosowano różne gatunki dżdżownic kompostowych (Eisenia fetida, Eisenia andrei oraz Dendrobaena veneta) w różnych gęstościach hodowlanych, substrat (osady ściekowe) pochodzące z różnych oczyszczalni ścieków na terenie Polski oraz Francji charakteryzujące się różną zawartością metali ciężkich, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych oraz różnymi właściwościami fizyczno-chemicznymi. Zaproponowano kilka strategii procesu z wykorzystaniem różnych substancji jako materiałów strukturotwórczych. B) Jakość mieszaniny kompostowej wpływa na układ immunologiczny dżdżownic Zanieczyszczenia obecne w osadach ściekowych, takie jak metale ciężkie oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne mogą wpływać na układ immunologiczny dżdżownic kompostowych na poziomie tkankowym, komórkowym oraz transkrypcji genów. Poszczególne parametry mogą zostać wykorzystane w procesie jako biomarkery stanu fizjologicznego dżdżownic. C) Dżdżownice kompostowe wpływają na jakość i ilość zanieczyszczeń w mieszaninie kompostowej 3. Cel pracy A) Cel główny: Określenie wpływu dżdżownic gatunku Eisenia fetida, Eisenia andrei oraz Dendrobaena veneta na jakość produktu powstałego w procesie wermikompostowania osadów ściekowych B) Cel naukowy: Zbadanie molekularnych i immunologicznych mechanizmów zaangażowanych w interakcje między dżdżownicami a zanieczyszczeniami obecnymi w osadach ściekowych C) Cel utylitarny: Opracowanie technologii połączonego procesu kompostowania – wermikompostowania osadów ściekowych z uwzględnieniem parametrów fizycznochemicznych i biologicznych limitujących prawidłowy przebieg procesu 3 4. Część badawcza A) Detekcja mikroorganizmów w osadach ściekowych metodą real-time PCR. Tradycyjne metody hodowli drobnoustrojów limitowane są odpowiednim składem pożywki oraz koniecznością zapewnienia idealnych do rozwoju warunków. Ponadto, właściwy obraz składu mikrobiologiczego może być zaburzony obecnością szybciej rosnących mikroorganizmów lub szczepów lepiej zaadaptowanych do określonych warunków hodowli. Metody biologii molekularnej, między innymi real-time PCR, mogą być stosowane w celu określenia występowania poszczególnych mikroorganizmów oraz ich wpływu na środowisko. Ich ogromną zaletą jest brak konieczności hodowli oraz możliwość izolacji DNA bakterii bezpośrednio ze środowiska [3]. Wyniki przedstawiono w dwóch artykułach, które stanowią kolejne podrozdziały pracy: a) Fijałkowski F., Kacprzak M., Rorat A. 2014. Occurrence changes of Escherichia coli (including O157:H7 serotype) in wastewater and sewage sludge by quantitation method of (EMA) Real Time – PCR. Desalination and Water Treatment.(52: 46-52) b) Kacprzak M., Fijałkowski K, Grobelak A., Rosikoń K., Rorat A. 2014. Escherichia coli and Salmonella spp. early diagnosis and seasonal monitoring in the sewage treatment process by the EMA-qPCR method. Polish Journal of Microbiology (2:143148) Zastosowana metoda pozwoliła na monitoring wybranych patogenów w procesie oczyszczania ścieków, ze szczególnym uwzględnieniem Escherichia coli oraz jej enterokrwotocznego szczepu O157:H7 oraz Salmonella typhimurium. Ponadto, zastosowanie barwnika EMA (monoazydku bromku etydyny) umożliwiło wyeliminowanie problemu fałszywie dodatnich wyników. B) Wplyw zanieczyszczeń zawartych w osadach ściekowych na układ odpornościowy dżdżownic kompostowych Dżdżownice uważane są za organizmy wskaźnikowe w ekologii oraz organizmy modelowe w badaniach ekotoksykologicznych i immunologicznych, gdzie kluczowa jest identyfikacja gatunków. Pierwszy z artykułów zaprezentowany w tym rozdziale opisuje różne metody zastosowane w celu przyżyciowego rozróżnienia pomiędzy trzema morfologicznie podobnymi gatunkami: Eisenia fetida, Eisenia andrei i Dendrobaena veneta. Gatunkowo specyficzne biomarkery posłużyły jako narzędzia 4 do rozsegregowania gatunków pochodzących z mieszanej hodowli. Metoda barkodowania DNA została wykorzystana w celu potwierdzenia uzyskanych wyników. Poszczególne biomarkery reakcji odpornościowej u dżdżownic mogą posłużyć jako bioindykatory dysfunkcji ekosystemów, ale również jako narzędzia do biomonitoringu procesu wermikompostowania. Układ odpornościowy dżdżownic opiera się na aktywności komórek immunologicznych, celomocytów, które można podzielić na dwie subpopulacje: amebocyty i eleocyty. Amebocyty wykazujące aktywność fagocytarną zostały wykryte u wszystkich poznanych gatunków, podczas gdy obecność autofluorescencyjnych eleocytów jest gatunkowo zależna[4]. Częściowym źródłem wspomnianej fluorescencji jest ryboflawina, witamina B2, zaangażowana w procesy odpornościowe u kręgowców. Liczba komórek odpornościowych oraz zawartość ryboflawiny ulega zmianom pod wpływem zanieczyszczeń obecnych w substracie [5]. Inne markery odpowiedzi immunologicznej mogą być odnalexione już na poziomie ekspresji poszczególnych genów. Narzędzia biologii molekularnej pozwoliły na poznanie genetycznego profilu poszczególnych gatunków dżdżownic [6]. Drugi artykuł w tym rozdziale określa wpływ metali ciężkich w określonych stężeniach na ekspresję metalotioneiny i syntazy fytochelatyn, czyli dwóch genów zaangażowanych w detoksyfikację u Eisenia andrei. rozrodczość i Ponadto, zbadano wpływ osadów ściekowych na przeżywalność, poszczególne parametry układu odpornościowego podczas procesu wermikompostowania u Dendrobaena veneta. Trzeci artykuł wprowadza zagadnienie biomonitoringu procesu. W doświadczeniu tym, umiarkowany dodatek osadów ściekowych stanowił cenne źródło substancji odżywczych na dżdżownic, podczas gdy wysokie ich stężenie znacznie wpłynęło na te bezkręgowce na poziomie komórkowym i znacznie wpłynął na ich przeżywalność i reprodukcję. Kolejne podrozdziały stanowią następujące artykuły: a) Rorat A, Kachamakova-Trojanowska N, Jozkowicz A, Kruk J, Cocquerelle C, Vandenbulcke F, Santocki M, Plytycz B. 2014. Coelomocyte-derived fluorescence and DNA markers of composting earthworm species. Journal of experimental zoology Part A, Ecological genetics and physiology 321:28-40 b) Homa J., Rorat A., Kruk J., Cocquerelle C., Plytycz B., Vandenbulcke F., 2015. Dermal exposure of Eisenia andrei earthworms: Effects of heavy metals on metallothionein and phytochelatin synthase gene expressions in coelomocytes. Environmental Toxicology and Chemistry 34, 1397-1404 5 c) Rorat A, Kacprzak M, Vandenbulcke F, Płytycz B. 2013. Soil amendment with municipal sewage sludge affects the immune system of earthworms Dendrobaena veneta. Applied Soil Ecology 64:237-244. C) Wermikompostowanie Kompostowanie i wermikompostowanie to metody biologicznego rozkładu odpadów w obecności tlenu, które doskonale wpasowują się w strategię recyklingu wartościowych makro i mikroskładników z osadów ściekowych. Wermikompostowanie to stosunkowa nowa, niedroga i przyjazna środowisku biotechnologia, w której dżdżownice zatrudnione są jako naturalne bioreaktory w procesie dekompozycji materii organicznej. Pierwsze doświadczenia proponujące zastosowanie dżdżownic Eisenia fetida do przekształcania odpadów przeprowadzane były przez Mitchella i wsp. w 1977 [7]. Niektóre gatunki dżdżownic są zdolne do przekszatłcania różncyh odpadów organicznych w cenny nawóz – wermikompost. Dżdżownice wpływają na produkt pośrednio poprzez rozdrabnianie, mieszanie i napowietrzanie. Jako naturalne blendery współpracują z mikroorganizmami, zwiększając powierzchnię czynną dla ich aktywności i stwarzając dobre warunki dla ich rozwoju. Ponadto, ich aktywność metaboliczna przyspiesza rozpad materii organicznej. Wermikompostowanie stanowić może ciekawą alternatywę lub uzupełnienie procesu kompostowania i idealnie wpasowuje się w trend przekształcania osadów ściekowych w produkt wysokiej jakości. Dżdżownice są wysoce odporne na smieniające się warunki atmosferycze, a mechanizmy obronne pozwalają im pretrwać w nieprzyjanym środowisku. Sukces kompostowania zależy od kilku istotnych czynników fizyczno-chemicznych, a dżdżownice w istotny sposób wpływają na parametry produkty. Ponadto, akumulują one niektóre zanieczyszczenia, miedzy innymi metale ciękie oraz przyspieszają ich biodegradację. W skład rozdziału wchodzą trzy artykuły naukowe: a) Rorat A., Suleiman S., Grobelak A., Grosser A., Vandenbulcke F., Plytycz B., Kacprzak M. Mutual interactions between sewage sludge-amended soil and earthworms comparison between Eisenia fetida and Eisenia andrei composting species. Environmental Science and Pollution Research. In press b) Suleiman H., Rorat A., Grobelak A., Grosser A., Milczarek M., Plytycz B., Kacprzak M., Vandenbulcke F., Determining the performance of vermicomposting process according to sewage sludge characteristics and earthworm species Submitted 6 c) Rorat A., Włóka D.,Grobelak A., Grosser A., Sosnecka A., Milczarek M., Vandenbulcke F., Kacprzak M. Vermiremediation of PAHs and heavy metals in sewage sludge composting proces. Submitted Pierwszy z wymienionych powyżej artykułów opisuje wyniki doświadczenia doświadczenia przeprowadzonego z wykorystaniem trzech osadów ściekowych pochodzących z miejskich oczyszczali ścieków na terenie regionu Nord Pas de Calais we Francji. Głównym celem badań było porównanie możliwości dekompozycji bioodpadów z wykorystaniem dwóch gatunków dżdżownic: Eisenia fetida oraz Eisenia andrei. Doświadczenie kładzie szczególny nacisk na akumulację metali ciężkich w organizmach dżdżownic oraz możliwym ryzyku ich wprowadzenia do sieci troficznej. Drugi podrozdział stanowi podsumowanie eksperymentu, w którym połączono technikę kompostowania wprowadzono i do wermikompostowania. mieszaniny osadów Trzy proponowane ściekowych, gatunki organicznej dżdżownic frakcji odpadów komunalnych, odpadów zielonych oraz trocin. Porównano wpływ poszczególnych gatunków na parametry produktu, określając jednocześnie efekt zanieczyszczeń na ich układ odpornościowy. Trzeci artykuł opisuje wpływ gatunku Eisenia andrei na zawartość wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, herbicydów oraz metali ciężkich w procesie wermikompostowania. 5. Wnioski a) Modyfikacje procesu wermikompostowania: różne gatunki dżdżownic, czas kompostowania, gęstość hodowli dżdżownic, różne materiały strukturotwórcze, różne czynniki biotyczne i abiotyczne, wpływają na jakość uzyskanego produktu. b) Poszczególne fizyczne i chemiczne parametry kompostu determinują odpowiedź immunologiczną dżdżownic c) Dżdżownice przyspieszają rozkład wielopierścieniowych aromatycznych i akumulują niektóre metale ciężkie 7 węglowodorów Literatura 1. Bień, J., et al., Kierunki zagospodarowania osadów w Polsce po roku 2013. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 2011. 14: p. 375-384. 2. Wang, L., Y.-T. Hung, and K. Li, Vermicomposting Process, in Biological Treatment Processes, L. Wang, N. Pereira, and Y.-T. Hung, Editors. 2009, Humana Press. p. 715-732. 3. Shannon, K.E., et al., Application of real-time quantitative PCR for the detection of selected bacterial pathogens during municipal wastewater treatment. Sci Total Environ, 2007. 382(1): p. 121-9. 4. Cholewa, J., et al., Autofluorescence in eleocytes of some earthworm species. Folia Histochemica et Cytobiologica, 2006. 44(1): p. 65-71. 5. Plytycz, B. and A.J. Morgan, Riboflavin storage in earthworm chloragocytes/eleocytes in an eco-immunology perspective. Invertebrate Survival Journal, 2011. 8: p. 199-209. 6. Brulle, F., et al., Transcriptomic underpinning of toxicant-mediated physiological function alterations in three terrestrial invertebrate taxa: a review. Environ Pollut, 2010. 158(9): p. 2793-808. 7. Mitchell, M.J., et al., Conversion of sludges into ″topsoils″ by earthworms. Compost Sci, 1977. 18(4): p. 28-32. 8