Kaisa Lehosmaa tutkii arktisten mikrobien ja kasvien käyttöä teollisuuden valumavesien puhdistamisessa. Tämä voi auttaa kaivosteollisuuden aiheuttamien ympäristöhaittojen vähentämisessä. Typpi ja raskasmetallipitoista kuormitusta vesistöihin muodostuu kaivostoiminnan lisäksi jätevedenpuhdistamoilta, hulevesistä, maataloudesta ja turvetuotannosta. Mikrobien soveltuvuutta biopuhdistukseen analysoidaan pääasiassa sekvensointimenetelmillä, mutta myös eristäen mikrobeja sammalesta.
Ihmisen aiheuttamat teolliset prosessit, kuten kaivosteollisuus, ovat johtaneet siihen että maaperän ja vesistöjen typpi ja raskasmetallipitoisuudet ovat lisääntyneet. Tutkijatohtori Kaisa Lehosmaa Oulun yliopistosta tutkii professori Anna Maria Pirttilän tutkimusryhmässä sammalen sekä muiden kasvien sisällä eläviä mikrobeja ja niiden sovellettavuutta vesienpuhdistuksessa. Kasvien mikrobikumppaneiden käyttö biopuhdistuksessa on suhteellisen vähän tutkittu aihe. Joukko kasveja voi varastoida tai jopa haihduttaa haitta-aineita, kuten metalleja ja ravinteita ilmakehään. Kasvien mikrobikumppanit ovat merkittävässä roolissa ravinteiden ja metallien keräämisessä ja muunnostyössä kasvien sisällä.
Lehosmaa on tutkinut erityisesti nevasirppisammalta (Warnstorfia fluitans), joka kasvaa Suomessa vähäravinteisilla soilla ja pohjavesiriippuvaisissa lähde-ekosysteemeissä. Sammalta esiintyy Pyhäjärvellä Pyhäsalmen kaivosta ympäröivillä alueilla. Pyhäsalmi on Euroopan syvin perusmetalleja louhiva kaivos. Sieltä saadaan kuparia ja sinkkiä.
”Olemme löytäneet tämän sammalen kaivosalueelta ja se on luontaisesti sopeutunut poikkeaviin olosuhteisiin. Sammalesta löytyneitä mikrobeja voidaan yhdessä sammalen kanssa käyttää kaivosteollisuuden valumavesien puhdistajana kylmissä ilmasto-olosuhteissa, ” sanoo Lehosmaa.
Kaivostoiminta muodostaa hapanta ja metallipitoista ja painovoiman ansiosta liikkuvaa suotovettä. Suotovedet ovat erittäin happamia ja sisältävät runsaasti haitallisena pidettäviä metalleja (Zn, Al, Cu, Cd). Tällaista jätevettä on käsiteltävä ja puhdistettava huolellisesti, koska sillä on kielteisiä ympäristövaikutuksia.
Lehosmaan tutkimuksissa nevasirppisammal osoittautui tehokkaaksi metallien poistajaksi myös alhaisissa lämpötiloissa. Se pystyy poistamaan myös typpeä erityisen hyvin yhdistettäessä puuhakebioreaktori-puhdistusyksikköön. Lehosmaa ja hänen kollegansa tunnistivat nevasirppisammalen mikrobikumppanit sekvensointimenetelmillä.
”Sekvensoinnilla saadaan kokonaiskuva siitä, minkälainen sammalen mikrobien monimuotoisuus on eli kuinka paljon ja minkälaisia mikrobeja siellä on.”
Haluamme myös tietää, mitkä mikrobien geenit ovat aktiivisia eri olosuhteissa, jotta ymmärtäisimme, miten mikrobeja voidaan laajemmin hyödyntää.”
Lehosmaa on käyttänyt tutkimuksessa Suomen ELIXIR-keskuksen CSC:n laskentaresursseja ja Chipster-ohjelmistoa mikrobiomi-aineistojen analysoinnissa.
”Sammalen mikrobiomi on aika tuntematon. Kasvien mikrobikumppanit ovat yleisesti ottaen melko huonosti tunnettuja. Olemme alustavasti amplikonisekvensoinnilla tunnistaneet niitä.”
Amplikonisekvensointi kohdentaa analyysin tietyille geenialueille, tässä tapauksessa 16S- ja ITS-ribosomaalisen RNA:n (rRNA) geenialueelle. 16S- ja ITS-rRNA-geenialueet ovat säilyneet evoluutiossa muuttumattomana miljoonia vuosia bakteereilla ja sienillä, minkä vuoksi näiden geenialueiden perusteella voidaan tunnistaa eri lajeja. 16S- ja ITS-rRNA geenialueet sekvensoidaan ja tunnistetaan julkisten tietokantojen kautta.
”Seuraava askel mikrobien tunnistamisen jälkeen on selvittää mitä ne tekevät. Meillä on jo alustavaa näyttöä siitä, että sammalen solukossa tapahtuu mielenkiintoisia prosesseja.”
Lehosmaan mukaan on tärkeää tietää, mitä sammalen sisällä tapahtuu ja miten sammalen mikrobit pystyvät käsittelemään metalleja.
”Happamassa vedessä on yleensä metalleja liukoisessa muodossa. Mikrobien avulla ei voida välttämättä poistaa metalleja vedestä, koska ne ovat epäorgaanisia yhdisteitä. Voimme kuitenkin mikrobien avulla muuttaa metallien liukoisuutta. Usein biopuhdistuksessa käytetäänkin eläviä mikrobeja saostamaan metalleja partikkelimuotoon, jolloin ne ovat helpommin hallittavissa ja poistettavissa.”
Olennaista on, että löydettyjä mikrobeja pystyy kasvattamaan myös laboratoriossa.
”Mehän emme voi hyödyntää potentiaalisia mikrobeja, jos emme voi kasvattaa ja täten jatkojalostaa ja lisätä niitä saman tai eri kasvilajin edustajiin,” sanoo Lehosmaa ja tarkoittaa tällä, että potentiaalisilla mikrobikumppaneilla voi tehostaa biopuhdistusta. Mikrobikumppanit auttavat kasveja selviytymään haastavissa biologisissa olosuhteissa.
Sammalen lisäksi eräs tehokas biopuhdistukseen käytetty kasvi on järviruoko. Sammalen tavoin se sitoo tehokkaasti itseensä haitta-aineita. Järviruoko tuottaa paljon biomassaa ja lähtee helposti kasvamaan. Juurakossa elävät levät sitovat maaperän rakenteita ja estävät sinileväkukintoja. Järviruokoa hyödynnetäänkin metallien talteenotossa (phytomining). Yhdessä Lehosmaan tutkimuksessa kartoitettiin Pyhäsalmen kaivoksen kupari- ja sinkkipäästöjen kertymistä järviruokoon.
Seuraavaksi tavoitteena on tutkia ja optimoida pohjoisiin olosuhteisiin sopeutuneiden muiden luonnonkasvien, sienten ja bakteerien kykyä pidättää vedestä typpeä ja raskasmetalleja.
”Koska löydettyjä mikrobeja voidaan kasvattaa ja lisätä, niin nyt tarkoitus on laajentaa muihin sammaliin. On hyvä selvittää pystyvätkö mikrobit toimimaan yhtä hyvin muissa kasveissa kuin nevasirppisammalessa.”
Ari Turunen
31.10.2023
Lue artikkeli PDF-muodossa
Lisätietoja:
Oulun yliopisto
CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy
on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keskitettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
https://research.csc.fi/cloud-computing
ELIXIR
rakentaa infrastruktuurin bioalan tutkimuksen tueksi. Se yhdistää 21 Euroopan maan ja Euroopan molekyylibiologian laboratorion EMBL:n johtavat organisaatiot yhteiseksi biologisen informaation infrastruktuuriksi. Sen Suomen keskus on CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy.
ELIXIR is partly funded by the European Commission