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