Projekt ansvarig: Sammar Khalil Institution för Biosystem och Teknologi, SLU, Box 103, Alnarp,

Transkript

1 Slutrapport angående projektet Effekt av reningsutrustning på näringsfällning oh hormoninnehåll samt mikroflora i bioreaktorbaserad in vitro produktion av växtråvara med (projektnr 774/14/FoG) Projekt ansvarig: Sammar Khalil Institution för Biosystem oh Teknologi, SLU, Box 103, Alnarp, sammar.khalil@slu.se Partner: Anna Holefors In vitro Plant-teh AB holefors@invitroplantteh.se

2 Projektets syfte oh mål Projektets övergripand syfte var att utvekla en hållbar in vitro-baserad produktion av växtråvara, samt att utvekla ett system för reirkulering av näringslösning i storskalig bioreaktorbaserad odling. Genom projektet undersöktes effektiviteten av kolfilter, som reningsutrustning kopplad till irkulerande system, på mikroflora oh på näringsfällningen i en storskalig bioreaktorbaserad in vitro produktion av växtråvara. Frågeställningar i det utförda projektet 1- Vilken effekt har kolfilter på rening av näringslösningen? 2- Vilken effekt har kolfilter på mikroflora i systemet? Det sökta projektet omfattade okså frågeställningar kring effekten av kolfilter på hormoninnehåll. Dessa undersökningar utgik på grund av minskad anslag i jämförelse med det sökta beloppet. Slutsatser De uppnådda resultaten visar på att - Kolfilter har en positiv effekt på rening av näringslösningen då ingen akumulering av näringsämnen visades vid analys av näringslösning efter kolfilter behandling - Näringsmedium som renats genom kolfiltrering stimulerade tillväxten hos växtellkulturer - Ingen mikrobiell tillväxt förekom efter kolfilter behandling, Resultatförmedling oh publikationer Resultaten från projektet kommer att presenteras i 1- Nationella publikationer i form av faktablad om produktion av växtråvara i irkulerande system med kolfilter som reningsmetod- effekten på näringsfällning mikrobiell tillväxt Bakgrund Marknaden för örter/mediinalväxter är en stor marknad, uppskattad till 544 miljarder SEK. För vissa mediinalväxter är efterfrågan betydligt större än tillgången vilket lett till utarmning av de naturliga bestånden. Då efterfrågan av dessa växter förväntas fortsätta att öka kommer problematiken med växtråvarubrist oh fortsatt utarmning att vara bestående. In vitro Plant-teh har utveklat en växtellodlingsplattform som kommer att användas för storskalig kommersiell produktion av växtråvara från svåråtkomliga mediinalväxter. Genom aktuella projekt vill vi undersöka om det går att införa reirkulering av näringslösning i vår växtellodlingsplattform, liknande den som används i hydroponiska odlingssystem. Reirkulering av näringslösning med rening skulle medföra ytterligare förstärkning av hållbarhetsaspekten genom minskat vatten oh näringsförbrukning. Hydroponisk odling erbjuder optimerade odlingsbetingelser för växten med hänsyn till tillförsel av vatten oh växtnäring vilket ledar till en positiv effekt på båda avkastning oh produktkvalitet (Gruda 2009). Dessa system kan vara näringslösningsbaserade odlingssystem såsom Nutrient Film teknik (NFT) oh ebb and flow system eller substratsbaserade odlingssystem där bla torv, pimpsten oh stenull används som inert substrat (Alsanius& Brand 2000). Vatten- oh näringsykeln i dessa system kan vara öppna eller slutna system (med irkulerande näringslösning). Den sistnämnda varianten förespråkas för att minska utsläpp av näringsberikat vatten från växthus oh övergödning. Slutna system förutsätter behovsanpassad tillförsel av växtnäring för optimering av kulturens tillväxt oh utvekling, samt skördeplanering oh produktkvalitet. Vid in vitro odling odlas växterna på definierat näringsmedium innehållande näringssalter, vitaminer, soker oh hormoner. Under odlingsperioden förbrukas vissa näringsämnen, soker oh hormoner. Växterna kan okså utsöndra ämnen som påverkar fortsatt tillväxt negativt. Ibland bildas det okså fällningar i näringslösningen. 2

3 Vid utvekling av reirkulerande näringssystem med rening är det därför viktigt att avlägsna inhiberande substanser, eventuellt bildande fällningar samt ersätta förbrukade näringsämnen oh soker. I projektet som beviljades av Partnerskap Alnarp 2013 har Advaned Oxidation Tehnologies (AOT) undersökts som ett verktyg för att rena den irkulerande näringslösningen från inhiberande substanser oh fällningar. De preliminära resultaten visar att AOT systemet inte har någon effekt på näringsämnen. Vi observerade däremot en ansamling av tillväxtinhiberande substanser. Behovet för att hitta andra fungerande reningsmetoder är därför stort. I det aktuella projektet undersöktes alternativa reningsmetoder såsom kolfilter oh dess effektivitet på att rena näringslösningen från inhiberande substanser oh fällningar. Kolfilter har använts i olika studier som verktyg för resning av vatten från bla läkemedelsrester oh hormonor (Gunnarsson & Larsson 2011). En effektiv reningsåtgärd kommer att bidra till en hållbar produktion av växtråvara i bioreaktorbaserad in vitro produktion. Genomförande Försöksodlingen utfördes under perioden april- deember 2014 i In vitro Plant-tehs laboratorium i Malmö. Cellkulturer (kallus) av rosenrot användes. Cellkulturerna odlades i flytande småskaliga 10 liters bioreaktorsystem av typen SUB (single use bioreator) med luftning oh omrörning enligt SOP RCO10. Två system ingik i undersökningarna: System 1: Kontroll; irkulerande hydroponiskt system utan reningsåtgärder System 2: irkulerande hydroponiskt system med filter oh kolfilter utrustning som reningsåtgärder (Figur 1). Figur 1. Odlingssystemet som användes i försöket. Näringsammansättning: Odlingsmedium RC01 bestående av näringssalter, vitaminer oh hormoner som ger god tillväxt av rosenrotsellmassan. I kolfilterbehandling användes 20 g aktivt kol per filter. Näringslösningen filtrerades genom kolfiltret. Den filtrerade näringslösningen analyserades med avseende på näring oh mikrobiell tillväxt. Effekten av kolbehandlingen undersöktes en timme respektive 72 timmar efter tillsattas av kolfilter. 3

4 Tre replikat av varje system användes i försöket. I båda system justerades näringslösningen med avseende på näringssalter, soker, hormoner oh ph innan den återupptas av plantorna. För att ha rätt näringsjustering, analyserades näringslösningen från varje system innan kolfilter behandling. Tre subkulturer användes. Odlingsperioden för dessa kulturer var tre månader. Försöken upprepades över tid. Analyser Följande analyser utfördes: Tillväxtanalyser Tillväxten av växtellmassan registrerades genom färsk- oh torrviktsanalyser, samt densitetsmätning av växtellmassa. Densitetsmätning utfördes en gång per veka, färskviktsanalyser utfördes vid försökets start, vid byte av näringslösning, samt vid avslutad tillväxtperiod. Torrviktsanalyser utfördes efter avslutad tillväxtperiod. Näringsanalyser Näringsanalyser utfördes vid byte av näringslösning innan kolfiltrering oh 1 timme respektive 72 timmar efter kolfiltrering. Analyserna utfördes av LMI i Helsingborg. Provtagning utfördes varannan veka under försöksperioden. Mikrobiella analyser Under försökets lopp tillväxt av svamp respektive bakterier undersöktes. Analyser på maltextrakt agar (MA) för svamp tillväxt oh på Trypti Soya Agar (TSA) för bakterie tillväxt utfördes. Analyserna som fokuserades på att studera förekomsten oh inte halten utfördes förre oh efter kolfiltrering med 1 respektive 72 timmars period. Resultat oh diskussion Tillväxtanalyser Cellkulturerna växte bra i våra 10 liters bioreaktorsystem. Vi undersökte okså hur näringsmedium som renats genom kolfiltrering påverkade tillväxten hos växtellkulturer. Rening genom kolfiltrering gav bättre tillväxt jämfört med reirkulerat näringsmedium utan kolrening (Figur 3). Figur 2. Inverkan av kolrening på tillväxt hos ellkulturer 4

5 Näringsanalyser Näringsanalysen av prover samlades i början samt i slutet av försöksperioden visade en minskning i ph samt ledningstalet efter kolbehandling (Tabell 1). Behandling med kol orsakade minskaning i halten av makro-respektive mikronäringsämne båda i början samt i slutet av försöksperioden (Tabell 1). Den lägsta halten var efter 72 timmersbehandling. Detta innebär att kolbehandlingen har enpositive effektiv på näringsfällning i bioreaktorssystem. Undantag från detta är halten av kisel oh natrium som ökade efter kolbehandling. Tabell 1: Halten av mikro-respektive mikronäringsämne vid försök strat respektive slut förre oh 1 timme respektive 72 timmer efter rening av irkulerande näringslösning med kolfilter (KF). ph Ledningstal (ms/m Halt näringsämne i mg/l Nitratkväve Fosfor Kalium Magnesium Svavel Kalium Natrium Klorid Mangan Bor Koppar Järn Zink Molybden Aluminium Kisel Ammoniumkväve Start Slut Kontroll Behandling med KF Kontroll Behandling med KF 1 tim 72 tim 1 tim 72 tim 4 3,5 3,8 6,7 6 6,5 5,55 2,14 2,03 5,52 4,05 3,7 493 a 173 b a 361 b ,1 a 12,4 b 11,4 b 39,1 a 25,8 b 24,6 765 a 282 b 269 b 773 a 524 b ,5 a 9,48 b 8,04 b 33,5 a 21,4 b 18 29,1 a 12,4 14,7 b 45,7 a 33,8 b 35,6 126 a 46,9 b 36,2 102 a 60 b 44,7 14,6 b 14,5 b 16,6 a 11,6 16,2 b 18,8 a 212 a 93,3 99 b 238 a 191 b 184 5,39 a 1,98 b 1,36 4,51 a 2,08 b 1,13 0,964 a 0,395 b 0,287 0,934 a 0,539 b 0,253 0,029 a 0,015 b 0,019 b 0,015 a 0,001 b 0,004 b 3,33 a 0,940 b 0,391 2,05 a 0,579 b 0,056 1,43 a 0,587 b 0,349 1,77 a 0,889 b 0,482 0,053 a 0,019 b 0,016 b 0,114 a 0,078 b 0,063 b 0,021 a 0,036 b 0,019 0,005 a 0,016 b 0,005 1,01 2,35 b 3,31 a 0,408 2,09 b 4,04 a 199 a 82,6 b 74,7 289 a 197 b 182 5

6 Mikrobiella analyser De mikrobiella analyserna indikerade ingen förekomst eller tillväxt av verken bakteria eller svamp i proverna samlades under försökets lopp. Framtiden Resultaten från detta projekt visar att kolfiltrering är var effektiv metod att använda i bioreaktor system för att på att hämma fällning av de flesta näringsämnen samt förekomsten av mikroorganismer. Andra reningsutrustning ska testas för att uppnå en effektivare rening. Kiselakumulering är ett problem som dok ska undersökas närmare. Referenser 1.Alsanius B.W., Kristinsen L. & Pirjio Rädd för vattnet- Ta prover. Fakta bladtillväxt trädgård 17. SLU, Alnarp. 2.Gruda N, Journal of Applied Botany and Food Quality 82: Gunnarsson V. & Larsson E Läkemedelsrester I driksvattnet- ett osynligt hot. Seminarium Gröna Kvinnor/ ABF 4.Jordbruket oh övergödningen av havet amnesomraden/miljoklimat/ingenovergodning/jordbruketohovergodningen.4.4b00b7db11efe58e66 b html 5.Khalil S. & Alsanius B.W Dynamis of the indigenous miroflora inhabiting the root zone and the nutrient solution in a ommerial losed greenhouse system. Gartenbauwiss. 66: Rajagopal G., Maruthamuthu S., Mohanan S. & Palaniswamy N Bioidal effets of photoatalyti semiondutor TiO2. Colloids and Surfaes B: Biointerfaes 51,

7 7