Αξιολόγηση της χρήσης βιοστερών από εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων ως εδαφοβελτιωτικών και φυτοπροστατευτικών μέσων στην κατεύθυνση της κυκλικής οικονομίας

Abstract

Biodegradable solid waste produced in wastewater treatment plants (WWTP) are constantly increasing over time, causing major problems regarding their management and disposal. In early years, most of the solid waste produced used to be regularly disposed in sanitary landfills. However, due to problems of pollution caused to the environment, this method has been restricted and alternative management methods were sought that exploit the nutrients inherent in the waste. Such a management method can be the agricultural land application of biosolids, the properly treated biodegradable solid waste that meet the appropriate requirements for land application.In the present thesis, the effects of this method on some organisms and the risks on the environment were initially examined. Thus, after they were subjected to leaching tests, the toxicity of different biosolid types produced in two different WWTPs was assessed. At first, samples of dehydrated and anaerobically digested sludge were obtained from a WWTP of Attica and were subjected to the static leaching test method EN 12457-2 and the availability leaching test method NEN 7341. Main physicochemical parameters were measured in the leachates, some toxicity indicators were assessed after the organisms Daphnia magna and Vibrio fischeri were exposed to the leachates and their seasonality were examined. Mixtures of biosolid/soil, simulating the dose of 80 tn/ha, were also created and the same parameters were measured for EN 12457-2 leachates. At the same time, three kinds of anaerobically digested sludge were obtained four times within a year from a WWTP of Thessaloniki, were subjected to the same leaching tests and were examined for their physicochemical, and ecotoxicological effects on Daphnia magna, Vibrio fischeri, Sorghum saccharatum, Sinapis alba and Lepidium sativum characteristics. In addition, the leachability of metals of toxicological importance was examined (for both leaching tests) and correlations between the measured parameters were explored. The same measurements and procedures were followed after application of two of the three kinds of biosolids, in doses of 0, 20 and 40 tn/ha, in two corn fields. Overall, the results showed that biosolid samples had a relatively high variability on the measured parameters. However, in any occasion the biosolid/soil mixtures did not produce toxic responses to none of the organisms tested. Moreover, the leachability of metals of toxicological importance was either not affected (by biosolid application) or was affected to a very small extend but without exceeding the permissible limits (Cd). To conclude, even though biosolid application increased nitrites and nitrates in the leachates, after evaluating all the parameters tested, those biosolids are considered of low environmental risk when utilized in the field.Subsequently, the possible use of biosolids as an organic fertilizer that improves soil properties, enhances plant growth and increases plant protection against pathogenic microorganisms was evaluated. For this purpose, peat and/or two soil types were amended with dehydrated and anaerobically digested biosolid used before, in doses of 0, 80 and 160 tn/ha, in order to study the growth of tomato plants and their response to the plant pathogenic fungus Fusarium oxysporum f. sp. radicis-lycopersici (Forl), either under controlled conditions or outdoors in a net protected area. The results showed that biosolid addition increased tolerance of tomato plants against the disease and plant growth was promoted. Thereafter, attempts were made in order to further investigate the reasons for which biosolid acted as a plant protector against Forl. Thus, it was examined whether biosolid application could enhance defense responses of tomato plants, either by triggering expression to plant-specific genes related to resistance to pathogens, or by providing a nutrient-rich substrate to soil-dwelling microorganisms that could act as antagonists to the pathogen. Gene expression analysis for genes GLUA, CHI3, PR1-a, LOX and AOC was evaluated with real time Quantitative Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR) and the presense of other microorganisms was analyzed through metagenomic analysis of biosolid/soil mixtures in which tomato plants were grown. The results showed that plants grown in substrates with biosolid incorporation presented higher levels of above genes expression and favored the growth of plant beneficial bacterial classes such as Anaerolineae and Clostridia which could have also limited Forl augmentation. Overall, the findings strongly support the evidence that this biosolid may act as an organic fertilizer and as a possible stimulant of tomato tolerance against Forl. In conclusion, this type of biosolid, previously proven to be minimal ecotoxicological impact, should be considered for its possible use in agriculture according to the principles of circular economy and waste minimization.

Οι ποσότητες βιοαποδομήσιμων στερεών αποβλήτων που παράγονται από τις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) αυξάνονται με την πάροδο του χρόνου συνεχώς, προκαλώντας μεγάλα προβλήματα διαχείρισης και διάθεσης τους. Το μεγαλύτερο μέρος των αποβλήτων αυτών, τα παλαιότερα χρόνια, προορίζονταν για υγειονομική ταφή. Ωστόσο λόγω των προβλημάτων ρύπανσης που επέφεραν στο περιβάλλον, επιβλήθηκαν περιορισμοί της μεθόδου αυτής και αναζητήθηκαν νέοι τρόποι διαχείρισής τους που θα αξιοποιούσαν τα θρεπτικά τους συστατικά. Μία τέτοια μέθοδο διαχείρισης αποτελεί η εφαρμογή των βιοστερεών (ΒΣ), δηλαδή των κατάλληλα επεξεργασμένων βιοαποδομήσιμων στερεών αποβλήτων που πληρούν τις απαραίτητες προϋποθέσεις για εφαρμογή με ασφάλεια στο έδαφος, ως λίπασμα αγροτικών καλλιεργειών.Κατά την παρούσα διδακτορική διατριβή, αρχικά εξετάστηκαν η επικινδυνότητα αυτής της πρακτικής σε ορισμένους οργανισμούς και γενικότερα ορισμένες από τις επιπτώσεις της μεθόδου στο περιβάλλον. Έτσι λοιπόν εκτιμήθηκε η τοξικότητα διαφορετικών τύπων ΒΣ που προέρχονται από δύο διαφορετικές ΕΕΛ και αξιολογήθηκε ο περιβαλλοντικός τους αντίκτυπος, μέσω των εκπλυμάτων τους. Καταρχάς λήφθηκαν δείγματα αναερόβιας επεξεργασμένης και αφυδατωμένης ιλύος από ΕΕΛ της Αττικής. Τα δείγματα υποβλήθηκαν στην στατική δοκιμή έκπλυσης EN 12457-2 και στη δοκιμή διαθεσιμότητας NEN 7341, κύριες φυσικοχημικές παράμετροι μετρήθηκαν στα υγρά των εκπλύσεων και εξετάστηκε η εποχικότητα αυτών των παραμέτρων. Eπιπλέον οι οργανισμοί δείκτες τοξικότητας Daphnia magna και Vibrio fischeri εκτέθηκαν σε αυτά τα εκπλύματα και υπολογίστηκαν διάφοροι δείκτες τοξικότητας. Ακόμα δημιουργήθηκαν μίγματα ΒΣ και εδάφους, σε αναλογία που προσομοιώνει εφαρμογή ΒΣ σε έδαφος αντίστοιχη με 80 tn/ha, και μετρήθηκαν οι ίδιες παράμετροι έπειτα από έκπλυσή τους με τη δοκιμή EN 12457-2. Παράλληλα λήφθηκαν, τέσσερις φορές τον χρόνο, τρία διαφορετικά είδη ιλύος από ΕΕΛ της Θεσσαλονίκης, τα οποία είχαν επίσης υποστεί αρχικά αναερόβια επεξεργασία, υποβλήθηκαν στις δύο ίδιες μεθόδους έκπλυσης και μετρήθηκαν αντίστοιχα φυσικοχημικές και οικοτοξικολογικές παράμετροι με χρήση των οργανισμών-δεικτών Daphnia magna, Vibrio fischeri, Sorghum saccharatum, Sinapis alba και Lepidium sativum. Επιπροσθέτως, εξετάστηκε η εκπλυσιμότητα μετάλλων τοξικολογικής σημασίας στα δείγματα αυτά (και για τις δύο μεθόδους έκπλυσης) και πραγματοποιήθηκαν συσχετίσεις μεταξύ των μετρούμενων παραμέτρων. Οι ίδιες μετρήσεις και διαδικασίες ακολουθήθηκαν έπειτα από εφαρμογή δύο εκ των τριών ΒΣ σε αναλογίες 0, 20 και 40 tn/ha, σε δύο αγρούς που καλλιεργούταν αραβόσιτος. Συνολικά τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα δείγματα ΒΣ παρουσίασαν σχετικά μεγάλη μεταβλητότητα των μετρούμενων παραμέτρων. Ωστόσο σε καμία περίπτωση εφαρμογής τους στο έδαφος δεν προκάλεσαν τοξική απόκριση στους μετρούμενους οργανισμούς και είτε δεν επηρέασαν την εκπλυσιμότητα των μετάλλων τοξικολογικής σημασίας είτε την επηρέασαν σε πολύ μικρό βαθμό χωρίς να υπερβαίνονται τα επιτρεπτά όρια (Cd). Καταλήγοντας κρίνεται ότι αν και η εφαρμογή των ΒΣ αύξησε την εκπλυσιμότητα νιτρικών και νιτρωδών ιόντων, έπειτα από αξιολόγηση όλων των μετρούμενων παραμέτρων η αύξηση αυτή θεωρείται χαμηλού περιβαλλοντικού κινδύνου.Εν συνεχεία, εκτιμήθηκε η δυνατότητα των ΒΣ να χρησιμοποιηθούν ως οργανικά λιπάσματα που ταυτόχρονα θα ενισχύσουν την ανάπτυξη των φυτών και θα δράσουν ως φυτοπροστατευτικά μέσα έναντι φυτοπαθογόνων μικροοργανισμών. Για τον σκοπό αυτόν αναμίχθηκαν τύρφη και/ή δύο είδη εδάφους με τύπο ΒΣ που χρησιμοποιήθηκε προηγουμένως, σε ποσότητες των 0, 80 και 160 tn/ha και εξετάστηκε η ανάπτυξη φυτών τομάτας και η απόκριση έπειτα από μόλυνσή τους με τον φυτοπαθογόνο μύκητα Fusarium oxysporum f. sp. radicis-lycopersici (Forl), σε συνθήκες εργαστηριακές και αγρού μέσα σε δικτυοκήπιο. Από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι τα φυτά τομάτας ευνοήθηκαν από την εφαρμογή των ΒΣ, καθώς αναπτύχθηκαν περισσότερο και παρουσίασαν ηπιότερους δείκτες ασθένειας. Μετέπειτα, έγινε προσπάθεια να αναδειχτούν περαιτέρω οι αιτίες για τις οποίες τα ΒΣ έδρασαν στα φυτά τομάτας ως φυτοπροστατευτικά απέναντι στον Forl. Έτσι εξετάστηκε εάν η προσθήκη ΒΣ θα μπορούσε να ενισχύσει τις αμυντικές αποκρίσεις φυτών τομάτας, είτε εκφράζοντας γονίδια στο φυτό, τα οποία σχετίζονται με την αντοχή στα παθογόνα, είτε δρώντας ως θρεπτικό υπόστρωμα σε μικροοργανισμούς που ζουν στο έδαφος και δρουν ανταγωνιστικά με την ανάπτυξη του παθογόνου. H ανάλυση έκφρασης γονιδίων σε φύλλα τομάτας αξιολογήθηκε με ποσοτική Αλυσιδωτή Αντίδραση Πολυμεράσης Αντίστροφης Μεταγραφής (Quantitative Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, RT-qPCR) και τα γονίδια αντοχής που μελετήθηκαν ήταν τα GLUA, CHI3, PR1-a, LOX και AOC. Η βιοποικιλότητα των μικροοργανισμών στα υποστρώματα ανάπτυξης των φυτών της τομάτας εξετάστηκε μέσω μεταγονιδιωματικής ανάλυσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη των ΒΣ, στα υποστρώματα ανάπτυξης των φυτών, οδήγησε στην επαγωγή υψηλότερων επιπέδων έκφρασης των ανωτέρω γονιδίων και ευνόησε την ανάπτυξη κλάσεων βακτηρίων όπως τις Anaerolineae και Clostridia που δρουν ευεργετικά για το φυτό και ενδεχομένως περιορίζουν την επέκταση του Forl. Συνολικά τα ευρήματα αυτά υποδεικνύουν ότι ο συγκεκριμένος τύπος ΒΣ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως οργανικό λίπασμα και να ενισχύσει την αντοχή του φυτού τομάτας έναντι του Forl. Εν κατακλείδι, κρίνεται ότι η εφαρμογή του τύπου ΒΣ που μελετήθηκε για λίπανση φυτών τομάτας ευνοεί την ανάπτυξη φυτών τομάτας, έχει μικρό περιβαλλοντικό ρίσκο και για τους λόγους αυτούς προτείνεται η αξιοποίησή του στη γεωργία ενισχύοντας τις αρχές της κυκλικής οικονομίας και παρέχοντας μία βιώσιμη λύση στο πρόβλημα διαχείρισης των αποβλήτων αυτών.