Kasvien ja mikrobien tutkimus: uusia mahdollisuuksia biopuhdistukseen BIO-Connect , Helsinki

Transkriptio

1 Kasvien ja mikrobien tutkimus: uusia mahdollisuuksia biopuhdistukseen BIO-Connect , Helsinki Piippa Wäli, Annu Ruotsalainen, Anna Maria Pirttilä, Kaisa Lehosmaa, Heini Postila, Katharina Kujala, Anna-Kaisa Ronkanen Ekologian ja genetiikan tutkimusyksikkö Vesi- ja ympäristötekniikan tutkimusyksikkö

2 Biopuhdistus = jätteidenkäsittelymenetelmä, jossa käytetään eliöitä neutraloimaan tai poistamaan haitta-aineita pilaantuneelta alueelta Epäorgaanisia haitta-aineita (esim. raskasmetallit) ei voi hajottaa Raskasmetallien puhdistusprosesseissa niiden liukoisuutta ja biosaatavuutta joko lisätään tai vähennetään Aktiiviset ja passiiviset menetelmät Passiiviset: + Luonnonmukaisia puhdistusmenetelmiä + Alhaiset perustamis- ja ylläpitokustannukset + Ei vaadi ulkopuolista energiaa - Hidas menetelmä

3 TEIJO MÄÄTTÄNEN Korkeiden raskasmetallipitoisuuksien maaainekset voivat pilata pinta- ja pohjavesiä kustannustehokkaita ja kestäviä menetelmiä tarvitaan lisää erityisesti kohteisiin, joissa tarvitaan passiivisia ratkaisuja Talvivaarassa vähäteltiin tuoreen tutkimuksen mukaan ympäristö- ja vesiosaamisen tarvetta. Talvivaaran kaivosalueen näkymiä syksyllä Kainuun Sanomat Kanadalainen kaivosyhtiö konkurssiin Nivalassa jätti jälkeensä saasteet ja miljoonien laskun veronmaksajille. Suomen Kuvalehti

4 Raskasmetallipitoisten maiden sekä niiden suoto- ja valuvesien tyypilliset puhdistusmenetelmät Ns. Aktiiviset menetelmät Pilaantuneen maan kaivaminen ja poistaminen Maan peseminen Raskasmetallien kemiallinen ja fysikaalinen stabilointi Raskasmetallien suodatus ja imeytys vedestä Conventional soil and water remediation methods are expensive and often involve the storage of soil or absorbant in designated areas, postponing rather than solving the problem (Furini et al. 2015) Savaterra Oy

5 Miksi kasvit ja mikrobit kannattaa huomioida maan ja veden puhdistuksessa? Ottavat ravinteita maasta ja vedestä: - Jätevedenpuhdistamot - Kosteikot erilaisille valumavesille (metsätalous, maatalous, turvetuotanto) Hajottavat orgaanisia haitta-aineita: - Öljyisten maiden puhdistus Sitovat raskasmetalleja: - Kaivosten pintavalutuskentät Kasveilla usein myös välillinen vaikutus puhdistustehokkuuteen Parantavat puhdistusyksikön veden virtausominaisuuksia Lisäävät pinta-alaa Sekoittavat vettä Ruokkivat mikrobeja Siirtävät happea Tuottavat lämpöä

6 Kasvipuhdistus (fytoremediaatio) Fytostabilointi: kasvittamalla pilaantuneita alueita - vähentää eroosiota - juuristo sitoo raskasmetalleja Kasvisuodatus: juuret tai sammalet suodattavat raskasmetalleja vedestä Fytoekstraktio: raskasmetallien poistaminen maasta tai vedestä joko kertymällä niitä kasvibiomassaan tai haihduttamalla/höyrystymällä ne kasvien kautta ilmakehään

7 Kasvien mikrobisymbionttien rooli kasvipuhdistuksessa vähällä huomiolla Mikrobit selviävät erilaisissa ja biologisesti erittäin haasteellisissa olosuhteissa -> auttavat kasveja selviämään erilaisissa oloissa + stressinsietokyky + puolustus + haitta-aineiden detoksifikaatio + veden ja ravinteiden sekä muiden aineiden otto

8 Mikrobit voivat auttaa kasvia sopeutumaan haastaviin olosuhteisiin mm. korkeat lämpötilat Curvularia-sieni

9 Kasvit ja mikrobit pilaantuneiden maiden puhdistuksessa: Usein keskeisessä roolissa passiivisia menetelmiä Tutkimusta etenkin kasvi-mikrobi-yhdistelmistä vähän Tutkimustietoa heikosti hyödynnetty puhdistusratkaisujen suunnittelussa ja mitoituksessa Ohjeistus ja suunnitteluparametrit puuttuvat Tutkimattomia mahdollisuuksia! Kustannustehokasta! 9

10 Biopuhdistusmekanismit 1. Raskasmetallien sitoutuminen maaperään, turpeeseen ja pohjasedimenttiin liukoisesta ei-liukoiseen muotoon mm. mikrobitoiminnan vaikutuksesta 2. Raskasmetallien kertyminen kasvimateriaaliin voidaan poistaa alueelta 3. Raskasmetallien poistuminen ilmakehään mikrobien ja/tai kasvien aineenvaihdunnan seurauksena

11 MITÄ ME YHDESSÄ: Ekologia ja genetiikka + Vesi- ja ympäristötekniikka Haasteet kylmissä oloissa: Monet kasvit ja mikrobit passiivisia talviaikaan - Biopuhdistus kylmissä ilmasto-oloissa - Hydrologian ja kosteikkojen prosessien tuntemuksen yhdistäminen kasvi- ja mikrobiekologiseen, yhteisöekologiseen, kasvifysiologiseen ja molekyylibiologiseen tietämykseen - Kasvi- ja mikrobiyhteisöjen hyödyntäminen puhdistusyksiköissä: niiden mitoitus ja puhdistusteho Korkea sadanta ja kevättulvat Ratkaisuja: -> Maanalaiset bioreaktorit -> Psykrofiiliset mikrobit ja kasvit -> Sammalet ja levät (alhaisen lämpötilan fotosynteesi) Tavoitellaan mitoitusohjeita ja systemaattisia suunnitteluohjeita

12 Kasvien ja mikrobiyhteisöjen hyödyntäminen kosteikkojen toiminnan tehostamisessa Mikrobiologinen aktiivisuus keskeistä puhdistusprosesseissa Energiakasvien hyödyntäminen ravinteiden pidättymisessä (kiertotalous) Mykoritsalla on tärkeä rooli kasvien ravinteidenotossa Metallien pidättyminen kasveihin tehostuu Runsaasti perustutkimusta, kosteikkopuhdistamosovellukset alussa 12

13 Kasvit ja niiden symbionttiset mikrobit biopuhdistuksessa Koivut rikastavat sinkkiä (Zn) Pajut kadmiumia (Cd) Eräät heinät arseenia (As) Sammalet suodattavat vedestä haitta-aineita Etsimme erityisesti mikrobeja, jotka edistävät raskasmetallien kertymistä kasvien versoihin (puhdistuksen lisäksi myös metallien rikastaminen maasta mahdollista kasvien avulla?)

14 Ekologian ja genetiikan yksikkö Esimerkkejä tutkimuksista Raskasmetalleja rikastavien kasvien ja niiden mikrobikumppanien etsintä Keski-Lapin vihreäkivivyöhykkeeltä Kuolan saastealueiden juurisienet Pitkäaikaisen raskasmetallialtistuksen vaikutus lakkisieniyhteisöihin Heinät arseenin puhdistajina Pilaantuneiden pohjavesien bakteeriyhteisöt Sammalet vesien puhdistajina

15 Ekologian ja genetiikan yksikkö Osaaminen ja laitteistot Kasvi- ja mikrobiekologia Kasvisymbioosien biologia Molekyylimenetelmät Pohjavesi ja virtavesi mikrobiekologia Yhteisöekologiset menetelmät Bioinformatiikka Molekyylilaboratorio Biocenterin sekvensointipalvelut Kasvitieteellisen puutarhan kasvihuoneet ja kasvatuskentät Ilmastohuoneet ja kasvatuskaapit

16 Tutkimushankkeita, Ekologia ja genetiikka - Mykoritsat Kuolan niemimaan ympäristöstressialueilla (Turun yliopisto, Suomen Akatemia ) Luonnonkasvien ja niiden symbionttisten mikrobien käyttömahdollisuudet kaivostoiminnan pilaamien maa-ainesten ja vesien biopuhdistuksessa (Maj ja Tor Nesslingin säätiö ) Pohjavesien ja niistä riippuvien ekosysteemien kestävä hallinta (Suomen akatemia, AKVA- akatemiaohjelma ) Kunnostuksen vaikutukset lähteiköiden eliöyhteisörakenteeseen ja ekosysteemitoimintoihin (Maj ja Tor Nesslingin säätiö ) Add footer if needed

17 Vesi- ja ympäristötekniikan yksikkö Pitkä kokemus erilaisista kosteikkoratkaisujen suunnittelusta ja mitoituksesta teollisille vesille ja luonnon vesille Tuntemusta materiaalien pidätyskyvyistä ja toiminnasta erilaisissa puhdistusratkaisuissa Hydrologinen mitoitus ja laskenta vesimäärien arviointiin ja kuormitusten ennustamiseen Arktisten olosuhteiden huomioinen ympäristötekniikan sovelluksissa

18 Vesi- ja ympäristötekniikan yksikkö Osaaminen ja laitteistot Monipuolinen laitteisto erilaisten materiaalien testaukseen - Fysikaaliset ominaisuudet - Kemialliset ominaisuudet - Hydrologiset parametrit Pumppulaitteistoa erilaisten puhdistusyksiköiden testaukseen Kairausvälineistöä maaperänäytteiden ottoon Merkkiainemenetelmät veden kulkureittien ja viipymien mittaamiseen Isotooppihydrologiset menetelmät Monipuolinen ohjelmisto veden virtausten laskentaan sekä ravinteiden/haitta-aineiden reaktioiden laskentaan (MODFLOW, Hydrus, Phreeqcs jne.)

19 Min-North Modifioitujen biomateriaalien mahdollisuudet kaivosvesien puhdistuksen tehostamisessa - Laboratorio/pilot testejä Kosteikkopuhdistamon toiminta ja talven (jäätymis/sulamissyklien) vaikutus siihen - Kenttämittauksia ja pilot-testauksia HUJA - Pajukosteikko pohjoisissa olosuhteissa - Vesien puhdistus, haihdutus, ravinteiden kierrätys - Luonnon mineraalit ja modifioidut biomateriaalit esim. hulevesien ja teollisuusvesien metallien poistossa - Laboratorio ja pilot tutkimuksia 19

20 HybArkt-yhteistyöhanke-esitys typen ja raskasmetallien puhdistamiseksi erilaisesta vesistä (OY + SYKE) Bioreaktori Sammalpuhdistamo Hakepuhdistamo Paju- ja ruokopuhdistamo 20 20

21 Yhteistyökumppaneita Suomen ympäristökeskus, SYKE Luonnonvarakeskus, LUKE Geologian tutkimuskeskus, GTK Kaivosyhtiöitä Vesilaitoksia Start up yrityksiä Yliopistoja Suomessa ja ulkomailla 21

22 Etsimme kumppaneita, pilottiprojekteja ja kohteita sekä tutkimusrahoitusta testataksemme pilaantuneiden maiden ja vesien puhdistusta mikrobien, kasvien sekä mikrobeilla paranneltujen kasvien/materiaalien avulla

23 Kiitos! Kysymyksiä?