Biokaasulaitosten lopputuotteiden laadunvalvonta biotestien hyödyntäminen. Liisa Maunuksela Tutkimus- ja laboratorio-osasto/kasvianalytiikan yksikkö

Transkriptio

1 Biokaasulaitosten lopputuotteiden laadunvalvonta biotestien hyödyntäminen Liisa Maunuksela Tutkimus- ja laboratorio-osasto/kasvianalytiikan yksikkö

2 Esityksen pääkohdat Biotestit: mitä ne ovat ja mihin niitä voi käyttää? Biovirta -tutkimushankkeen (mikro)biologisia tuloksia Johtopäätökset Liisa. Maunuksela

3 Biotestit Yhdisteen vaikutuksen määrittäminen elävällä organismilla (kasvi, bakteeri, alkueläin) Voidaan tutkia yhdisteen todellista vaikutusta suoraan eliöstöön Soveltuvat usean eri haitta-aineen yhteisvaikutuksen arviointiin voidaan käyttää tuotteen turvallisuuden arvioinnissa Määrityksissä huomioitava mm. Biosaatavuus, herkkyys, yhteisvaikutukset Näytteen muut ominaisuudet (johtokyky, ph, orgaaniset hapot, ravinteet, mikrobiaktiivisuus) Näytteen säilytys ja esikäsittely Liisa Maunuksela

4 Orgaanisille lannoitevalmisteille soveltuvia biotestejä Stabiilisuustestit (aerobinen biologinen aktiivisuus) hiilidioksidintuotto (IR/ titraus/solvita) hapentuotto (OUR) lämmöntuotto (Rottegrad/Dewar) Toksisuustestit (fyto = kasville, eko = ympäristölle myrkyllisiä) itävyys/juurenpituus taimettuminen valobakteeri (Flash) epäpuhtaudet rikkakasvinsiemenet Liisa Maunuksela

5 Itävyyskoe Yleisin kompostin kypsyystesti Testikasvit: vihanneskrassi, keltasinappi, retiisi Näyte uutteena (vesiliukoiset yhdisteet) tai kiinteänä petrimaljalle (n. 100 ml), laimennettuna tai laimentamattomana Idätys 28 h 72 h, RT, pimeässä Tulokset Itävyys% Biomassa (juuret ja/tai taimet) Juurenpituus tuloksia verrataan kontrolliin (turve, suodatinpaperi) Juurenpituusindeksillä on kansallinen raja-arvo maanparannusaineille (kypsyyskriteerit) Standardoitu: SFS-EN (2012). Determination of plant response. Part 2: Petri dish test using cress. Maanparannusaineet ja kasvualustat. Kasvivasteen määrittäminen. Krassin idätystesti petrimaljalla

6 Kasvatus/taimettumiskoe Testikasvit: 1- ja 2-sirkkainen, esim. ohra, kiinankaali, retiisi, salaatti, kaura (kasvatusoloihin sopivat) Kasvatusolosuhteet: lämpötila (päivä/yö), valot, kosteus, tilat, toistettavuus! Rinnakkaisia 3-5 kpl Liisa Maunuksela

7 Kasvatus/taimettumiskoe Tulokset (5 vrk 8 viikkoa) Itävyys% Tuore/kuivapaino (juuret, verso) Lehtien väri Versojen ja juurten kunto Juurten pituus Kasvuvaihe Tuloksia verrataan kontrolliin (turve, standardi/referenssimaa Standardoitu, mm. ISO (Soil quality Biological methods, chronic toxicity in higher plants, ISO ,2 (Method for the measurement of inhibition of root growth, Effects of chemicals on the emergence and growth of higher plants, lausunnolla) SFS-EN (2012). Soil improvers and growing media. Determination of plant response. Part 1: Pot growth test with Chinese cabbage. Maanparannusaineet ja kasvualustat. Kasvivasteen määrittäminen. Kiinankaalin ruukkukasvatustesti

8 Stabiilisuustestit Aerobisen biologisen aktiivisuuden määrittäminen 1) CO 2 -tuotto, suljettu pullotesti kompostin kypsyyden määrittämiseen Perustuu mikrobitoiminnan seurauksena muodostuneen hiilidioksidin ja kulutetun hapen mittaukseen Näytteitä inkuboidaan 37 o C:ssa 24/48 h, mittaukset infrapuna-laitteella tulos mg CO 2 -C/g VS/vrk Stabiilisuudella on kansalliset raja-arvot maanparannusaineille (kypsyyskriteerit) 2) Hapenkulutus. Standardoitu EN (2011). Soil improvers and growing media- Determination of the aerobic biological activity-part 1: Oxygen uptake rate (OUR) Liisa Maunuksela

9 Luminescence (mv) Valobakteeritesti (Flash) akuutti toksisuus Kineettinen Vibrio fischeri - bakteerin bioluminesenssiin perustuva akuutti toksisuustesti. Valontuotto laskee myrkyllisyyden kasvaessa Tulos ilmoitetaan inhibitio- eli esto- %:na tai EC 50 -arvona halutun altistusajan jälkeen Standardoitu : SFS-ISO Water quality - Kinetic luminescent bacteria test Vibrio fischeri Liisa Maunuksela Time (s) Toxic Not toxic

10 Biotestituloksiin vaikuttavia tekijöitä Näytteen ominaisuudet, fytotoksisuuden aiheuttajat, mm. johtokyky, ammonium, ravinteet, suolat, haitta-aineet, orgaaniset hapot Näytteen esikäsittely/seulonta, homogeenisuus, lämpötila, kostutus, säilytys (tapa, lämpötila ja aika), kasvilaji ja kastelu Laadunvarmistus (kontrollit, olosuhteet, toistettavuus) kriittisiä! Laboratorion pätevyyskoe (Evira, Proftest SYKE): CO 2 -tuotto (tai OUR), kasvivaste (krassin itävyys ja juurenpituus), kosteus, orgaaninen aines v

11 BIOVIRTA: Biologiset analyysit (Evira, VTT, MTT) Kehitetään ja sovelletaan biotestejä biokaasulaitosten käsittelyjäännösten laadun arviointiin Arvioidaan eri käsittelyjäännösten mahdollista fytotoksisuutta tuotteisiin liittyviä mahdollisia haitta-aine- ja hygieniariskejä Annetaan suositukset käytettäville testimenetelmille käyttösuositukset lopputuotteille Liisa Maunuksela

12 Näytteet Kolme biokaasulaitosta, näytteenotto kolme kertaa v aikana Näytteet: esireaktori (hygienia) (EH) hygienisointiyksikkö (hygienia) (H) reaktorin (hygienia) jälkeen (R) mädätysjäännös sellaisenaan (reaktorista)(mj) kuivajae (KJ) rejektivesi (RV) pelletti/rae Liisa Maunuksela

13 Näytteet ja esikäsittely Referenssi/kontrollinäytteet: sian lietelanta epäorgaaninen lannoite NPK Näytteitä tutkittiin simuloiden normaalia peltokäyttöä, lannoitustaso säädetty typen (NH 4 -N) perusteella 90 kg/ha Näytteet seostettiin turpeeseen (~260 g/l) ja standardimaahan (~630 g/l) tilavuuspainot huomioiden Muokkauskerroksen paksuus 10 cm Liisa Maunuksela

14 Menetelmät (Evira, VTT) Analyysi Kuvaus Näyte CO 2 -tuottotesti Stabiilisuustesti; näytteen aerobinen, mikrobiologinen aktiivisuus, tuotteen hajoamisaste Sellaisenaan ja seostettuna Kasvatuskoe Itävyys Flash-testi Itävyys/taimettuminen, tuorepaino, väri, yleiskunto Ohra ja kiinankaali Fytotoksisuustesti; krassin siementen itävyys ja juurenpituus (72 h) Akuutti toksisuustesti; kineettinen bioluminesenssiin perustuva mittaus Vibrio fischeri bakteeri Seostettuna Seostettuna Sellaisenaan ja seostettuna Lisäksi: kuiva-aine, orgaaninen aines (näytteistä ja seoksista) tilavuuspaino, ph, johtokyky (seoksista)

15 Hygienianäytteet ja analyysit (MTT) Laitos 1 Laitos 2 Laitos 3 Esireaktori Hygienisointiyksikkö Reaktori Kuivajae (varastokasa) Rejektivesi Esireaktori THP: Flash-tankki Reaktori 1 Reaktori 2 Kuivajae (suotonauha) 1 ei hyödynnetä sellaisenaan lannoitevalmisteena 2 hygienisointi rakeistusprosessissa Esireaktori Reaktori 1 Reaktori 2 Kuivajae 1 (lietesiilo) Rejektivesi 1 Kuivarae 2 Hygienisointiprosessien tehokkuuden selvittäminen Näytteistä analysoitiin salmonella, koliformiset bakteerit (E. coli, kokonaiskoliformit), enterokokit ja sulfiittia pelkistävät klostridit standardoiduilla menetelmillä Liisa Maunuksela

16 Tuloksia: Hygieenisyys Enterokokkien määrä samalla tasolla ennen ja jälkeen käsittelyn Mesofiilinen prosessi yksistään ei riitä hygienisointikäsittelyksi Salmonellaa esiintyi laitosten 2 ja 3 syötteessä sekä laitos 3:n reaktorissa mutta ei lopputuotteissa Pienen näytemäärän perusteella ei voida laajemmin arvioida hygieniariskiä E. coli pitoisuudet biokaasulaitosten prosessien eri vaiheissa otetuissa näytteissä

17 Tuloksia: Hygieenisyys Hygienisointikäsittely (70 C 60 min) on yleensä riittävä taudinaiheuttajien tuhoamiseksi ongelmana itiöitä muodostavat bakteerit (mm. sulfiittia pelkistävät klostridit) Itiöivät bakteerit yleisiä ympäristössä ei merkittävää riskiä? Rakeistusprosessi oli riittävä käsittely kaikille tutkituille indikaattorimikrobeille Sulfiittia pelkistävät klostridit biokaasulaitosten prosessien eri vaiheissa otetuissa näytteissä Liisa Maunuksela

18 Tuloksia: Krassin itävyys ja juurenpituus Itävyys kaikissa näytteissä hyvä 90 % Vaihtelua (seostusmateriaali, näytteenottokerrat) Standardimaahan seostettujen biokaasulaitoksen lopputuotteissa sekä referenssinäytteissä (sian lietelanta ja NPK) itäneiden krassin siementen määrä kolmen näytteenottokerran tulosten keskiarvona

19 Tuloksia: Juurenpituusindeksi (MLV %) Indeksi huomioi itävyyden ja juurenpituuden Turpeeseen seostetuissa näytteissä juurten kasvu hieman parempi kuin standardimaahaan seostetuissa näytteissä Ei merkittävää myrkyllisyyttä peltokäyttöä vastaavissa pitoisuuksissa, kasvunestoa eniten kiinteillä jakeilla (KJ, MJ) Lantaan verrattuna tulokset hyviä (poikkeus RAE, jossa N-pitoisuuden perusteella laskettu näytteen määrä ja mm. johtokyky seoksessa oli suuri) uusinta RAEb jossa näyte MTT:n peltokokeita vastaavassa pitoisuudessa Raa assa lannassa mm. fytotoksisuutta aiheuttavaa ammoniakkia ja haihtuvia rasvahappoja Krassin juurenpituusindeksi kolmen näytteenoton tulosten keskiarvona turpeeseen (T), kaupalliseen kasvualustaan (vas.) tai standardimaahan (S, oik.) seostetuissa biokaasulaitoksen lopputuotteissa sekä referenssinäytteissä (sian lietelanta ja NPK)

20 Tuloksia: Kasvatuskoe Itävyys, verson tuorepaino ja väri, yleiskunto (juuristo) Testikasveissa eroa: Kiinankaali ohraa herkempi Ohralla kasvunestoa ei esiintynyt, poikkeuksena laitoksen 2 rejektivesi ja laitoksen 3 rae Kiinankaali kasvoi heikosti testatuissa näytteissä, ainoastaan laitoksen 3 kuivajakeella hyvät tulokset Kiinankaalin ja ohran kasvunesto kolmen näytteenoton tulosten keskiarvona standardimaahan seostetuissa biokaasulaitoksen lopputuotteissa sekä referenssinäytteissä (sian lietelanta ja NPK)

21 Tuloksia: Ohran juuriston kasvu ja kunto Eroja kasvualustojen välillä (standardimaa, turve) Ainoastaan kaksi biokaasulaitoksen lopputuotetta esti juuren kasvua selvästi Standardimaa Turve Laitos 1, rejektivesi Laitos 3, kuivajae Liisa Maunuksela

22 Tuloksia: Stabiilisuus (hiilidioksidintuotto) Kysymys: Nostavatko tuotteet maan mikrobiologista aktiivisuutta? Näytteet olivat standardimaahan seostettuna stabiilimpia kuin lietelanta Näytteenottokertojen välillä jonkin verran hajontaa Standardimaahan seostettujen biokaasulaitoksen lopputuotteiden sekä referenssinäytteiden (sian lietelanta ja NPK) hiilidioksidintuotto

23 Tuloksia: Toksisuus (Flash-valobakteeri) Korkeissa pitoisuuksissa (> 10 g/l) näytteet inhiboivat valontuottoa (myös turve) Suurin riski myrkylliseen vasteeseen kiinteissä jakeissa: MJ-S ja KJ-S (10 g/l), vähäistä valontuoton estoa Ammoniumtyppi ei ollut tutkituissa näytteissä pääasiallinen myrkyllisyyden aiheuttaja Etikkahapon (VFA) vaikutus saatuun vasteeseen sen sijaan voi olla suurempi Tulosten korrelaatio näytteiden haitta-aine pitoisuuksiin? Pitoisuudet ympäristössä? Akuutti myrkyllisyys valobakteeritestissä (10 g/l) inhibitio %:na standardimaahan seostetuilla näytteillä keskiarvo kolmesta näytteenottokerrasta

24 Johtopäätökset Epävarmuustekijät ja huomioitavaa Seostaminen näytteet seostettiin ennen stabiilisuuden ja toksisuuden testausta seos vastasi todellista käyttötarkoitusta kasvinravinteena seostaminen tasalaatuiseksi haastavaa hajontaa tulosten välillä seosaineen koostumus vaikuttaa: turve- toksinen vaste (Flash), standardimaa: valmistus suhteellisen työlästä Kasvatusolosuhteet kasvatushuoneen lämpötila, valo ja kosteus siementen laatu tasainen kastelu Tulosten tulkinta Näytteen ominaisuudet, mm. ammoniumtyppi, etikkahappo, haihtuvat rasvahapot (VFA) Kasvitestit soveltuvat muiden toksisuustestien tueksi käsittelyjäännösten laadun selvittämisessä Flash-valobakteeritestitulosten tulkinta on haasteellista, koska monet tekijät voivat vaikuttaa toksiseen vasteeseen Liisa Maunuksela

25 Johtopäätökset Lopputuotteiden hygienisointi (riittävä kuumennuskäsittely) on varmistettava ennen niiden käyttöä maanparannusaineena Krassin juuren pituus on herkkä parametri fytotoksisuudelle Kiinankaali on ohraa herkempi testikasvi kasvatuskokeessa Hiilidioksidintuottotestin mukaan tuotteet eivät lisänneet maan mikrobiologista aktiivisuutta merkittävästi mutta onko stabiilisuuden määrittäminen lannoitteenomaisesti käytettäville tuotteille tarpeellista? Tuotteet olivat standardimaahan seostettuna stabiilimpia ja vähemmän fytotoksisia kuin lietelanta merkittävää myrkyllisyyttä ei havaittu

26 Johtopäätökset Suurin riski myrkylliseen vasteeseen oli kiinteillä jakeilla Näytteenottokertojen ja laitosten välillä tuotteissa eroja prosessiteknistä syistä yhtenäisten käyttösuositusten antaminen vaikeaa osa tuotteista näyttäisi soveltuvan laajempaan käyttöön kuin voimassa oleva lainsäädäntö sallii Lisätietoa tarvitaan haitta-aineiden ja taudinaiheuttajien mahdollisista riskeistä maaperässä! Liisa Maunuksela

27 Julkaisut Immonen, L. Biokaasulaitoksen lopputuotteiden fytotoksisuuden ja kasvipatogeenien aiheuttamien riskien arviointi. 11/2009. Pro Gradu tutkielma. Jyväskylän Yliopisto Maunuksela, L., Herranen, M. and Torniainen, M Quality Assessment of Biogas Plant End Products by Plant Bioassays, International Journal of Environmental Science and Development vol. 3, no. 3, pp Torniainen, M. ja Maunuksela, L Biokaasulaitosten lopputuotteiden turvallisuutta tutkitaan. Maaseudun Tiede 2/2010 Torniainen, M., Maunuksela, L., Herranen, M., Kapanen, A., ja Vikman, M Biotestatut lopputuotteet sopivat pelloille lannoitteeksi. Maaseudun Tiede 3/2011 Kokousjulkaisuja vuosilta Tulossa: Maunuksela, L., Herranen, M. Torniainen, M., Suominen, K., Vikman, M. and Kapanen, A. Stability and toxicity of biogas plant end products. Bioresource Technology

28 Kiitos!! Merja Torniainen, Evira Leena Kaarla, Evira Mirkka Herranen, Evira Leena Sahlström, Evira Minna Vikman, VTT Anu Kapanen,VTT Marko Laine, Ilmatieteen laitos