Redirecting phosphorus from wastewater : screening for phosphate accumulating bacteria from clam guts for potential wastewater remediation applications

Abstract

Fosfór gegnir mikilvægu hlutverki í efnaskiptaferlum dreif- og heilkjarna frumna s.s. baktería, dýra og plantna. Þetta óendurnýjanlega steinefni er mikið notað í tilbúnum áburði í landbúnaði, en yfirvofandi skortur þess getur leitt til uppskerubrests og hungursneyðar á næstu árhundruðum ef ekkert verður að gert. Því er mikilvægt að loka hringrás fosfórs og koma í veg fyrir tap hans út í sjó, sem verður að hluta til vegna losunar skólps. Ísland er eftirbátur annarra vestrænna ríkja þegar kemur að skólphreinsun og sums staðar er óhreinsuðu skólpi enn veitt út í sjó. Áskoranir fráveitu á norðurslóðum felast m.a. í smæð byggðarlaga, köldu loftslagi og útþynntu skólpi. Markmið skólphreinsunar er að draga úr magni lífrænna og ólífrænna efna sem enda í viðtaka. Einn hluti hennar felst í að fjarlægja fosfór. Notkun sérhæfðra örvera (e. PAOs), sem hafa getu til að taka upp umframmagn fosfórs og mynda í leiðinni lífplast (e. PHA), í sérstöku “lifandi” kerfi (e. EBPR), hefur skilað bestum árangri.Fimm óþekktir bakteríustofnar úr meltingarvegi kúfskeljar (Arctica islandica) úr Eyjafirði voru rannsakaðir m.t.t. fosfatupptöku og lífplastframleiðslu í tveimur gerðum gerviskólps (næringarríku og næringarsnauðu) við loftháðar aðstæður. Fosfatupptaka og lífplastframleiðsla mældist hjá öllum stofnum. Mesta framleiðsla lífplasts var 0.89 g/L PHA í næringarsnauðu gerviskólpi. Fosfatupptaka stofnanna var 17-30% í næringarsnauðu skólpi þegar upphafsstyrkur fosfats var 15.3 mg/L, sem svipar til hefðbundins upphafsstyrks og upptöku örvera í skólphreinsistöðvum. Í næringarríku skólpi var fosfórupptakan breytilegri en nálgaðist í sumum tilfellum 85%, sem nálgast skilvirkni EBPR. Þessar niðurstöður gefa tilefni til frekari rannsókna, því örverustofnar einangraðir hérlendis eru aðlagaðir staðbundnum aðstæðum og gætu komið að gagni við bæði hreinsun og virðisaukningu skólps í landinu.

Phosphorus serves an important role in the metabolism of both prokaryotes and eucaryotes, such as bacteria, animals and plants. This irreplaceable mineral is used in commercial fertilizer, but imminent shortage of the element could cause crop failure and worldwide famine within a few centuries if nothing is done. Therefore, recirculating phosphorus and preventing its loss to the sea, which can be partially attributed to wastewater effluent, is a pressing issue. Wastewater treatment in Iceland is underdeveloped compared to other Western countries and the wastewater from some towns is released untreated into the sea. The challenges of treating wastewater in Arctic regions are comprised of cold climate, small towns and diluted wastewater. The goal of wastewater treatment is to decrease the amount of organic and inorganic substances that end up in the receiving water body. One part of it is comprised of the removal of phosphorus. The utilization of specialized microbes (PAOs), which can accumulate phosphate in abundance and simultaneously synthesize bioplastics (PHA), in a specific type of “live” reactor (EBPR), has given the best results.Herein, five unknown bacterial strains, isolated from the gut of the bivalve Arctica islandica sampled in Eyjafjörður, were examined with regard to aerobic phosphate accumulation and PHA production abilities in both nutrient-rich and nutrient-poor synthetic wastewaters (SWW). Measurements indicated phosphate accumulation and PHA production for all strains. The highest amount of produced PHA was 0.89 g/L. The strains‘ phosphate uptake was 17-30% in nutrient-poor SWW initially containing 15.3 mg phosphate/L, which resembles the conditions and efficiency of conventional wastewater treatment plants. The phosphate uptake varied more in the nutrient-rich SWW, with highest removal of 85%, which is close to the efficiency of EBPR. These results urge further research, as strains isolated in Eyjaförður are adapted to the local conditions and could benefit both the remediation and value-addition processes of wastewater in Iceland.