Svampar som naturligt alternativ till kemi vid rening av avloppsvatten

Forskare från Johns Hopkins University har undersökt huruvida vanliga vedsvampar kan bryta ner läkemedelsrester i reningsslam innan detta material används som gödsel på jordbruksmark.

Moderna antidepressiva medel och ångestdämpande läkemedel är utformade för att kraftfullt påverka nervsystemet och stanna kvar i kroppen under lång tid. Efter partiell utsöndring hamnar de i avloppssystemet – och en del outnyttjade tabletter spolas fortfarande ner i toaletten. Reningsverk avlägsnar huvuddelen av föroreningarna, men alla aktiva substanser från läkemedel kan inte elimineras effektivt.

Vad är biosolider och varför utgör de ett problem

Efter reningen återstår ett näringsrikt, kompakt material – så kallade biosolider, eller behandlat avloppsslam. I USA och många andra länder används detta som gödningsmedel och jordförbättrare. Med det kan spårmängder av läkemedel – inklusive antidepressiva och lugnande medel – hamna på åkrarna.

Forskning tyder på att även minimala mängder läkemedel i miljön kan påverka beteendet hos vattenlevande djur och jordorganismer och potentiellt även människors hälsa. Hårda bevis för att sådana doser faktiskt skadar konsumenter av livsmedel från biosolidgödslade fält saknas ännu. Forskare betonar dock att många av dessa föreningar är svårnedbrytbara och kan finnas kvar i miljön under lång tid.

Vitrötesvampar som naturliga enzymfabriker

Forskarteamet valde organismer som under miljontals år har hanterat ett av naturens hårdaste material – trä. Det handlar om så kallade vitrötesvampar, kända för sin förmåga att bryta ner lignin, det mycket motståndskraftiga ”bindemedlet” i trä.

Till skillnad från många bakterier utsöndrar dessa svampar kraftfulla och brett verkande enzymer till omgivningen. De fokuserar inte på en enskild förening. De attackerar ett helt spektrum av komplexa organiska molekyler och bryter ner dem till mindre delar, som vanligtvis är lättare att nedbryta.

Forskarna koncentrerade sig på två välkända arter. Pleurotus ostreatus, även kallad ostronskivling, är lättillgänglig i butiker. Trametes versicolor är en färggrann ticka som växer på trädstammar och ofta kallas ”brokticka”. Båda arterna är välstuderade, lättillgängliga och har länge använts i olika miljöexperiment.

Så genomfördes experimentet med avloppsslam

Teamet från Johns Hopkins tog biosolider från ett kommunalt reningsverk och tillsatte nio läkemedel som verkar på centrala nervsystemet. Bland dem förekom bland annat det populära antidepressiva medlet citalopram och trazodon.

Det på detta sätt förberedda materialet användes som tillväxtmedium för mycel från ostronskivling och Trametes versicolor. Forskarna lät svamparna växa på slammet i maximalt sextio dagar och undersökte löpande hur många aktiva substanser som fortfarande fanns närvarande i provet.

Resultaten visade att båda svamparterna klarade av merparten av de testade läkemedlen, och i många fall sjönk koncentrationen nästan till noll. Som jämförelse genomfördes även försök i klassiskt flytande laboratoriemedium utan biosolider, vilket möjliggjorde verifiering av hur den verkliga ”blandningen” av föroreningar påverkade nedbrytningseffektiviteten.

Hur stor andel av läkemedlen avlägsnar svamparna från slammet

Efter två månaders arbete med mycel reducerade båda arterna nivån av åtta av nio undersökta substanser. Graden av avlägsnande låg ungefär mellan femtio procent och nästan fullständig eliminering av det aktuella läkemedlet från biosoliderna.

Särskilt effektiva var ostronskivlingarna, som i vissa fall nästan fullständigt ”renade” provet. Anmärkningsvärt är att nedbrytningen i vissa fall förlöpte bättre i närvaro av biosolider än i en enkel konstgjord lösning. Det signalerar att tester uteslutande i flytande medium inte alltid återspeglar hur tekniken fungerar under realistiska förhållanden vid ett reningsverk.

Forskarna var särskilt uppmärksamma på vad som händer med läkemedelsmolekylerna efter kontakt med mycel. Den avgörande frågan var om svamparna enbart tar upp farmaceutika, eller om de verkligen bryter ner dem till mindre skadliga komponenter. Avancerad masspektrometri kom till hjälp och möjliggjorde att följa hur den kemiska sammansättningen av proverna förändrades över tid.

Mer än fyrtio nya föreningar identifierades som uppstod till följd av svampenzymermas aktivitet. I många fall klipptes läkemedelsmolekylerna i mindre fragment eller ”oxiderades” – en syreatom tillfördes molekylen. Toxicitetsanalyser antyder att nedbrytningsprodukterna generellt är mindre farliga än de ursprungliga läkemedlen, vilket pekar på verklig ”avgiftning” snarare än bara en förflyttning av problemet.

Mykoaugmentering som ny möjlighet för reningsverk

Begreppet mykoaugmentering dyker upp allt oftare i den vetenskapliga litteraturen. Det handlar om målinriktad introduktion av svampar i förorenade miljöer för att påskynda nedbrytningen av skadliga föreningar. Studien från Johns Hopkins levererar starka argument för att en sådan metod är meningsfull vid behandling av avloppsslam.

Vitrötesvampar har flera praktiska fördelar jämfört med dyra kemiska teknologier och avancerade filter:

de kan växa på fast material som biosolider utan behov av komplicerad infrastruktur
de fungerar under relativt milda betingelser utan användning av höga temperaturer eller tryck
de är vanliga i naturen, välstuderade och billiga att odla
de enzymer de producerar kan hantera hela grupper av föreningar och inte bara en enda typ av förorening
de kräver varken elektrisk energi eller specialreaktorer i rostfritt stål
myceliet kan efter avslutad behandling komposteras eller användas för produktion av odlingssubstrat

Sett ur reningsverkens perspektiv är visionen om en modul där biosolider genomgår en ”svampkur” innan utspridning på fälten synnerligen lockande. Ett sådant steg skulle kunna komplettera befintliga processer och höja den övergripande nivån av miljösäkerhet.

Vilka utmaningar kan komplicera storskalig användning av svampar

Även om resultaten låter lovande är vägen till storskalig implementering fortfarande lång. Det är bland annat nödvändigt att undersöka hur svamparna klarar sig med hela ”soppan” av förorenande ämnen i verkligt slam från olika reningsverk – och inte bara med nio utvalda läkemedel.

Ett annat problem är att upprätthålla den biologiska balansen. I stora installationer är biosolider fyllda med bakterier och andra mikroorganismer som kan konkurrera med mycel om utrymme och näringsämnen. Det är likaså nödvändigt att säkerställa att eventuella omvandlingsprodukter från farmaceutiska föreningar inte ackumuleras oönskat i jord eller vatten över en längre tidshorisont.

För stadsbor påminner denna historia om att en tablett tagen för sömn eller humörförbättring inte försvinner spårlöst. En del hamnar vid ett reningsverk och därifrån vidare – i olika former – ut i miljön. Även om doserna i praktiken är minimala leder den ökande konsumtionen av antidepressiva medel forskare till att söka efter nya och mer sofistikerade reningsmetoder.

Vad betyder upptäckten för lantbrukare och reningsverksoperatörer

För lantbrukare som använder biosolider skulle en sådan svampbaserad ”förrening” i framtiden kunna utgöra ett argument för att de använder gödsel med lägre kemisk belastning. För operatörer av reningsverk är det ett sätt att följa allt strängare normer för mikroförorening – utan gigantiska investeringar i avancerade membranteknologier.

I bakgrunden gömmer sig ytterligare en intressant slutsats. Samma enzymer som hjälper svamparna att attackera lignin och psykiatriska läkemedel kan visa sig användbara vid nedbrytning av andra envisa föroreningsämnen – exempelvis bekämpningsmedel eller vissa ingredienser i kosmetika.

Om ytterligare forskning bekräftar effektiviteten hos detta tillvägagångssätt kan Pleurotus ostreatus och dess ”släktingar” bli ett fast inslag i modern hantering av avloppsvatten. Denna forskningsinriktning visar att inte varje teknologiskt pussel behöver lösas med komplicerad apparatur. Ibland räcker det att förstå de organismer som under miljontals år har städat upp i skogarna efter döda stammar – och överföra deras talang till de platser där vi genererar de största mängderna avfall.