Mechanisms of antifungal resistance in the opportunistic fungus Aspergillus fumigatus

ABSTRACT Aspergillus fumigatus is one of the most prevalent airbone fungal pathogen and can cause severe fatal invasive aspergillosis in immunocompromised patients. Several antifungal agents are available to treat these infections but with limited success. These agents include polyenes (amphotericin B), echinocandins (caspofungin) and azoles, which constitute the most important class with itraconazole (ITC) and voriconazole as major active compounds. Azole-derived antifungal agents target the ergosterol biosynthesis pathway via the inhibition of the lanosterol 14α-demethylase (cyp51/ERG1 1), a cytochrome P450 responsible for the conversion of lanosterol to ergosterol, which is the main component of cell membrane in fungi. A. fumigatus is also found in the environment as a contaminant of rotting plant or present in composting of organic waste. Among antifungal agents used in the environment for crop protection, the class of azoles is also widely used with propiconazole or prochloraz as examples. However, other agents such as dicarboximide (iprodione), phenylamide (benalaxyl) or strobilurin (azoxystrobin) are also used. Emergence of clinical azole-resistant isolates has been described in several European countries. However the incidence of antifungal resistance has not been yet reported in details in Switzerland. In this study, the status of antifungal resistance was investigated on A. fumigatus isolates collected from Swiss hospitals and from different environmental sites and. tested for their susceptibility to several currently used antifungal agents. The data showed a low incidence of resistance for all tested agents among clinical and environmental isolates. Only two azole-resistant environmental isolates were detected and none among the clinical tested isolates. In general, A. fumigatus was susceptible to all antifungals tested in our study, except to azoxystrobin which was the less active agent against all isolates. Since mechanisms of antifungal resistance have been poorly investigated until now in A. fumigatus, this work was aimed 1) to identify A. fumigatus genes involved in antifungal resistance and 2) to test their involvement in the development of resistance in sampled isolates. Therefore, this work proposed to isolate A. fumigatus genes conferring resistance to a drug-hypersusceptible Saccharomyces cerevisiae strain due to a lack of multidrug transporter genes. Several genes were recovered including three distinct efflux transporters (atrF, atrH and mdrA) and a bZip transcription factor, yapA. The inactivation of each transporter in A. fumigatus indicated that the transporters were involved in the basal level of azole susceptibility. The inactivation of YapA led to a hypersusceptibility to H2O2, thus confirming the involvement of this gene in the oxidative stress response of A. fumigatus. The involvement of the abovementioned transporters genes and of other transporters genes identified by genome analysis in azole resistance was tested by probing their expression in some ITC-resistant isolates. Even if upregulation of some transporters genes was observed in some investigated isolates, the correlation between azole resistance and expression levels of all these transporters genes could not be clearly established for all tested isolates. Given these results, the present work addressed 1) alteration in the expression of cyp51A encoding for the azole target enzyme, and 2) mutation(s) in the cyp51A sequence as potential mechanisms of azote resistance in A. . However, overexpression of cyp51A in the investigated isolates was not linked with azote resistance. Since it was reported that mutation(s) in cyp51A were participating in azote resistance in A. fumigatus, a functional complementation of cyp51A cDNAs from ITC-resistant A. fumigatus strains in S. cerevisiae ergl 1 Δ mutant strain was attempted. Expression in S. cerevisiae allowed the testing of these cDNAs with regards to their functionality and involvement in resistance to specific azote compounds. We could demonstrate that Cyp51A protein with a G54E or M220K mutations conferred resistance to specific azoles in S. cerevisiae, therefore suggesting that these mutations were important for the development of azote resistance in A. fumigatus. In conclusion, this work showed a correlation between ITC resistance and mechanisms involving overexpression of transporters and cyp51A mutations in A. fumigatus isolates. However, azole resistance of some isolates has not been solved and thus it will be necessary to approach the study of resistance mechanisms in this fungal species using alternative methodologies. RESUME Aspergillus fumigatus est un champignon opportuniste répandu et est la cause d'aspergilloses invasives le plus souvent fatales chez des patients immunodéprimés. Plusieurs antifongiques sont disponibles afin de traiter ces infections, cependant avec un succès limité. Ces agents incluent les polyènes (amphotericin B), les échinocandines (caspofungin) et les azoles, qui représentent la plus importante classe d'antifongiques avec l'itraconazole (ITC) et le voriconazole comme principaux agents actifs. Les dérivés azolés ciblent la voie de biosynthèse de l'ergostérol via l'inhibition de la lanostérol 14α-demethylase (cyp51/ERG11), un cytochrome P450 impliqué dans la conversion du lanostérol en ergostérol, qui est un composant important de la membrane chez les champignons. A. fumigatus est également répandu dans l'environnement. Parmi les antifongiques employés en agriculture afin de protéger les cultures, les azoles sont aussi largement utilisés. Cependant, d'autres agents tels que les dicarboximides (iprodione), les phenylamides (benalaxyl) et les strobilurines (azoxystrobin) peuvent être également utilisés. L'émergence de souches cliniques résistantes aux azoles a été décrite dans différents pays européens. Cependant, l'incidence d'une telle résistance aux azoles n'a pas encore été reportée en détails en Suisse. Dans ce travail, l'émergence de la résistance aux antifongiques a été étudiée par analyse de souches d'A. fumigatus provenant de milieux hospitaliers en Suisse et de différents sites et leur susceptibilité testée envers plusieurs antifongiques couramment utilisés. Les données obtenues ont montré une faible incidence de la résistance parmi les souches cliniques et environnementales pour les agents testés. Seulement deux souches environnementales résistantes aux azoles ont été détectées et aucune parmi les souches cliniques. Les mécanismes de résistance aux antifongiques ayant été très peu étudiés jusqu'à présent chez A. fumigatus , ce travail a eu aussi pour but 1) d'identifier les gènes d' A. fumigatus impliqués dans la résistance aux antifongiques et 2) de tester leur implication dans la résistance de certaines souches. Ainsi, il a été proposé d'isoler les gènes d' A. fumigatus pouvant conférer une résistance aux antifongiques à une souche de Saccharomyces cerevisiae hypersensible aux antifongiques. Trois transporteurs à efflux (atrF, atrH et mdrA) et un facteur de transcription appartenant à la famille des bZip (YapA) ont ainsi été isolés. L'inactivation, dans une souche d'A. fumigatus, de chacun des ces transporteurs a permis de mettre en évidence leur implication dans la susceptibilité d'A. fumigatus aux antifongiques. L'inactivation de YapA a engendré une hypersusceptibilité à l' H2O2, confirmant ainsi le rôle de ce gène dans la réponse au stress oxydatif chez A . fumigatus. La participation dans la résistance aux antifongiques des gènes codant pour des transporteurs ainsi que d'autres gènes identifiés par analyse du génome a été déterminée en testant leur niveau d'expression dans des souches résistantes à l'ITC. Bien qu'une surexpression de transporteurs ait été observée dans certaines souches, une corrélation entre la résistance à l'ITC et les niveaux d'expression de ces transporteurs n'a pu être clairement établie. Ce présent travail s'est donc porté sur l'étude de 2 autres mécanismes potentiellement impliqués dans la résistance aux azoles : 1) la surexpression de cyp51A codant pour l'enzyme cible et 2) des mutations dans cyp51A. Cependant, la surexpression de cyp51A dans les souches étudiées n'a pas été constatée. L'effet des mutations de cyp51A dans la résistance aux azoles a été testée par complémentation fonctionnelle d'une souche S. cerevisiae déletée dans son gène ERG11. L'expression de ces gènes chez S. cerevisiae a permis de démontrer que les protéines Cyp51Ap contenant une mutation G54E ou M220K pouvaient conférer une résistance spécifique à certains azoles, ainsi suggérant que ces mutations pourraient être importantes dans le développement d'une résistance aux azoles chez A. fumigatus. En conclusion, ce travail a permis de mettre en évidence, dans des souches d'A. fumigatus , une corrélation entre leur résistance à l' ITC et les mécanismes impliquant une surexpression de transporteurs et des mutations dans cyp51A. Cependant, ces mécanismes n'ont pu expliquer la résistance aux azoles de certaines souches et c'est pourquoi de nouvelles approches doivent être envisagées afin d'étudier ces mécanismes.

Growth, nodulation and nitrogen fixation of cowpea in soils amended with composted tannery sludge

Tannery wastes generation is increasing every year and a suitable method for tannery sludge management is necessary in order to decrease this environmental problem. The composting is recognized as a suitable method for sludge recycling.. The effect of tannery sludge compost (TSC) rates on growth, nodulation and N fixation of cowpea was investigated. Sandy and clayey soils were amended with TSC at rates of 0, 7.5, 15, 30, and 60 t ha-1. The shoot dry weight of cowpea plants 45 days after emergence (DAE) was greater in the TSC-amended than in the unamended soil. In the sandy soil, nodule dry weight increased with TSC application 45 DAE. In the clayey soil, 45 DAE, nodule dry weight decreased with TSC amendment levels greater than 7.5 t ha-1 compared to the unamended control. The application of TSC increased N accumulation in the cowpea plants. The results suggest that cowpea responds differently to TSC depending on the amendment rate and initial soil type.

Kalkkisaostuslaitteiston suunnittelu Biolan Oy:n lannoite- ja kasvualustatehtaan varastoja ja kompostointikentältä tulevien suoto- ja hulevesien käsittelyyn

Tässä diplomityössä oli tavoitteena löytää ratkaisu Biolan Oy:n lannoiteja kasvualustatehtaan varastoja kompostointikentältä tulevien suotoja hulevesien käsittelyyn. Erityisenä kiinnostuksen kohteena oli suotoja hulevesien sisältämän fosforin poistamisen ratkaisun löytäminen. Ratkaisua päätettiin lähteä hakemaan kemiallisen saostuksen kautta. Fosforin kemiallinen saostus toteutetaan nykypäivänä useimmiten raudan ja alumiini yhdisteiden avulla, mutta tämän työn lähtökohtana oli saostuksen suorittaminen kalkilla. Yhtenä työn lähtökohtana oli myös muodostuvan, fosforipitoisen, kalkkisakan hyödyntäminen Biolan Oy:n kasvualustatehtaan tuottamien kasvualustojen ravinnelähteenä, jolloin yleisesti ongelmana pidetty jätevesiliete muuttuu mahdollisuudeksi.

Naudan lietelannan käsittelymenetelmien taloudellinen vertailu

Maataloudessa syntyvä lanta on arvokas lannoite ja maanparannusaine, jonka käsittelystä aiheutuu sekä kustannuksia että ympäristövaikutuksia. Muita haasteita ovat esimerkiksi lannan mikrobit, lannan levitykseen soveltuvan ajankohdan lyhyys, lannan ravinteiden sovittaminen kasvien tarpeisiin ja lannan ravinteiden määrä suhteessa levityskelpoisen peltoalan määrään. Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa naudan lietelannan käsittelyketjuihin liittyvät kustannukset ja osoittaa eri käsittelyketjujen kustannusten eroavaisuudet. Tavoitteena oli myös tunnistaa ja osoittaa käsittelyketjujen laadulliset erot. Kustannukset selvitettiin kustannuslaskelmin ja laadulliset erot SWOT-menetelmällä. Tutkimuksen kohteeksi valittiin 6 tilakokoluokkaa ja käsittelyketjuiksi lietelanta-, kompostointi- ja mädätysketju. Tutkimuksessa alhaisimmat kustannukset olivat lietelantaketjulla, jonka kustannukset 25 – 250 naudan tilalla olivat 5 200 – 6 600 €/a ja yksikkökustannukset 1 – 9 €/m3. Mädätysketjun kustannukset vastaavissa tilakokoluokissa olivat noin 33 000 – 50 000 €/a ja yksikkökustannukset 8 – 55 €/m3. Kompostointiketjun kustannukset olivat 35 000 – 143 000 €/a ja yksikkökustannukset 24 – 58 €/m3. Lietelantaketjun edullisuus johtui vähäisistä laite- ja rakennusinvestoinneista ja pienistä työmääristä ja kompostointiketjun kalleus suurista tukiaine- ja investointikustannuksista. Käsittelyketjujen asettaminen paremmuusjärjestykseen oli hankalaa. Työn määrä oli pienin lietelantaketjussa ja toiseksi pienin suurilla tiloilla mädätysketjussa. Kompostointiketjulla itse levitykseen kuluva aika oli pienin. Ravinteiden osalta mädätysketju oli parhain ja kompostointiketju huonoin. Ympäristövaikutuksiltaan ja hajuhaitoiltaan kompostointi- ja mädätysketju olivat parhaimmat. Mikrobien osalta parhain oli kompostointiketju.

Öljyvahinkojätteiden käsittely Kymenlaakson alueella alusonnettomuuden jälkeen

Työn tavoitteena oli selvittää Suomenlahdella tapahtuvasta alusöljyvahingosta syntyvän öljyisen jätteen käsittelymahdollisuudet ja -kapasiteetit sekä loppusijoitusmahdollisuudet ja -kapasiteetit Kymenlaakson alueella. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, miten öljy-vahinkojätettä voidaan esikäsitellä välivarastoinnin aikana puhdistuksen ja loppusijoituksen tehostamiseksi. Työn alussa on perehdytty öljyvahinkojätteen muodostumiseen vaikuttaviin tekijöihin: öljylaatujen ominaisuuksiin, öljyn kulkeutumiseen rannalle, ranta- ja saaristomaisemaan, öljyntorjuntaan jarantojen puhdistamiseen. Työssä on kuvattu öljyvahinkojätteen käsittelymenetelmien periaatteet ja menetelmien rajoituksia käsitellä öljyvahinkojätettä. Lisäksityö sisältää tutkimusta Suomen aluevesillä ja maailmalla tapahtuneista öljyonnettomuuksista. Onnettomuuksista on selvitetty erityisesti öljyvahinkojätteen määrä, koostumus ja käsittely. Työn loppuosassa on esitelty Kymenlaakson alueen laitosten mahdollisuuksia käsitellä öljyvahinkojätettä. Tietoa onkerätty haastattelemalla puhelimitse laitosten edustajia keväällä 2007. Alueella voidaan polttaa leijupedissä puhtaaseen polttoaineeseen sekoitettua öljyistä orgaanista ainesta ja puhdistustyössä käytettyjä varusteita arviolta 19 000 t/a, homogenoitua öljyistä orgaanista ainesta voidaan polttaa rumpu-uunissa arviolta 1200 t/a. Alueen polttokapasiteetti kasvaa, kun työn aikana rakenteilla oleva jätteenpolttolaitos valmistuu ja jätettä voidaan polttaa laitoksen arinalla. Lisäksi erityisesti öljyisiä maa-aineksia voidaan alipainekäsitellä, bitumistabiloida, kompostoida sekä pestä. Saadut tutkimustulokset ovat hyödynnettävissä erityisesti Kymenlaakson alueella. Tiedot käsittelymenetelmistä ja niiden rajoitteista ovat hyödynnettävissä valtakunnallisesti.

Parhaat käyttökelpoiset tekniikat (BAT) perunankuorimoiden jätteiden käsittelyssä -käytäntöjä Euroopan maista

Yhä suurempi osa suurkeittiöistä ja ravintoloista käyttää ruuan valmistuksessa valmiiksi prosessoituja kasviksia, jotka hankitaan pääasiassa lähellä sijaitsevista tilakuorimoista. Kuorimoilla syntyy suuria määriä jätettä, enimmäkseen kuorijätteitä, multaa ja jätevettä. Tässä työssä tarkastellaan perunankuorimoiden kuorintamenetelmiä ja kuorintaprosessia, prosessissa syntyviä jätteitä ja niiden käsittelyä sekä ympäristöasioiden hallintamenetel-miä kuorimoilla Suomessa ja muissa EU-maissa. Työn tavoitteena oli selvittää, minkälainen on lainsäädäntö ja minkälaiset ovat kuorimotoimintaa koskevat lupakäytännöt Ruotsissa, Saksassa, Belgiassa ja Iso-Britanniassa. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, onko näissä maissa määritelty, millainen on perunankuorimoille soveltuva paras käyttökelpoinen tekniikka (BAT) erityisesti jätteiden käsittelyssä. Euroopan yhteisön neuvoston direktiivi (96/61/EY) ympäristön pilaantumisen ehkäisemisen ja vähentämisen yhtenäistämiseksi edellyttää perunankuorimoilta toimintaansa ympäristöluvan. Laitosten koko, joilta ympäristölupa vaaditaan, vaihtelee suuresti eri maissa. Myös kuorimoiden jäteveden puhdistusvaatimukset vaihtelevat maittain. Belgi-assa ja Saksassa perunankuorimoilla syntyville jätevesille on asetettu päästöraja-arvot laissa. Kansallinen BAT-ohjeistus vihanneksia ja hedelmiä jatkojalostavalle teollisuudelleon tehty Belgiassa ja Iso-Britanniassa. Sen sijaan Saksassa ja Ruotsissa kansallista ohjeistusta ei ole tehty. Kansallisten BAT-ohjeistusten pohjalta Euroopan yhteisöjen komissio on julkaissut tammikuussa 2006 elintarviketeollisuudelle BAT-vertailuasiakirjan eli BREFin (BAT Referense Document), joissa kuvataan yleisellä tasolla BAT-tekniikoiksi sovitut tekniikat mm. perunan prosessoinnissa. Tässä työssä tuli ilmi, että kokoerot Suomen ja tässä työssä tarkasteltavien maiden kuo-rimoiden välillä ovat suuret. Voidaankin todeta, että tässä työssä tarkastelluissa BAT - ohjeistuksissa ja Euroopan komission BREF-dokumentissa esitetyt BAT-tekniikat etenkin jätevedenpuhdistuksessa eivät suoraan ole sovellettavissa Suomen olosuhteisiin kuorimoidemme pienestä koosta johtuen. Kiinteiden kuorintajätteiden käsittelyssä BAT-tekniikoiksi ulkomailla on määritelty lä-hinnä rehukäyttö, kompostointi ja peltoon levitys. Perunankuorimoiden jäteveden puhdistuksessa BAT-tekniikaksi Belgiassa on määritelty primääripuhdistus ja sekundääripuhdistus aerobisella menetelmällä. Iso-Britanniassapuolestaan BAT-tekniikkaa on primää-ripuhdistus, sekundääripuhdistus aerobisesti tai anaerobisesti ja tertiääripuhdistus, mikäli se on taloudellisesti mahdollista toteuttaa. Kuorijätteiden kompostointi on tällä hetkelläSuomessa melko harvinaista, sillä jätteiden suuri vesipitoisuus ja kylmä ilmastomme vaikeuttavat kompostointia. Kompostointimah-dollisuuksia ja kompostointiprosessin optimointia kuorintajätteille sopivaksi tulisikin tutkia tulevaisuudessa yhtenä jätteiden käsittelyvaihtoehtona. Kuorimoiden jätevesien puhdistuksessa tulevat Suomessa kysymykseen lähinnä yksinkertaiset kiinteistökohtaiset pienpuhdistamot, kuten panospuhdistamot. Pienpuhdistamolaitteistoihin liittyvää tutki-mus-ja kehitystyötä on viime vuosina tehty paljon ja sitä olisi tärkeää jatkaa edelleen, jotta löydettäisiin entistä kustannustehokkaampia ratkaisuja.

Öljyvahinkojätteiden käsittely alusonnettomuuden jälkeen Kymenlaakson alueen näkökulmasta

Työn tavoitteena oli selvittää Suomenlahden rannalta merkittävän suuruisen alusöljyvahingon jälkeen kerättävän öljyisen jätteen käsittelymahdollisuudet ja -kapasiteetit sekä loppusijoitusmahdollisuudet ja -kapasiteetit Kymenlaakson alueen näkökulmasta. Tarkoituksena oli selvittää, missä jätteiden käsittely voidaan toteuttaa sekä, miten öljyisiä jätteitä voidaan esikäsitellä välivarastoinnin aikana puhdistuksen ja loppusijoituksen tehostamiseksi. Tutkimuksen kohteena oli sekä rannalta kerättävät kiinteät öljyiset ainekset että öljyinen merivesi. Työn alussa on perehdytty jätehuoltovastuuseen, eli kenen vastuulla öljyalusonnettomuuksissa syntyvät öljyiset jätteet ovat. Työssä on esitelty lyhyesti öljyvahinkojätteille teknisesti soveltuvien käsittelymenetelmien periaatteet ja menetelmien rajoituksia käsitellä öljyvahinkojätetteitä. Työssä on myös mainittu aiemmin Suomea koskettaneiden tai maailmalla tapahtuneiden alusöljyvahinkojen jätemääriä ja tapauksissa käytettyjä jätteiden käsittelymenetelmiä. Työ painottuu esittelemään Kymenlaakson alueen laitosten, Riihimäen Ekokem Oy Ab:n ja siirrettävien laitteistojen mahdollisuuksia käsitellä öljyisiä jätteitä. Lisäksi on esitelty öljyisen meriveden käsittelyyn soveltuvia laitoksia Kymenlaakson alueen näkökulmasta. Tietoja on kerätty puhelimitse ja sähköpostitse yritysten edustajilta vuoden 2007 aikana. Kymenlaakson alueella voidaan polttaa voimalaitosten leijupedeissä puhtaaseen polttoaineeseen sekoitettuja öljyisiä orgaanisia aineksia ja murskautuvia puhdistustyössä käytettyjä varusteita noin 10 000 t/a, homogenoitua öljyistä orgaanista ainesta voidaan polttaa Leca-soratehtaan rumpu-uunissa noin 1 200 t/a. Alueen polttokapasiteetti kasvaa, kun työn aikana rakenteilla oleva jätteenpolttolaitos valmistuu ja jätettä voidaan polttaa laitoksen arinalla. Haihtuvilla öljy-yhdisteillä pilaantuneita maa-aineksia voidaan alipainekäsitellä, jos yhdisteet eivät ole haihtuneet jo merellä. Erityisesti öljyiset maaainekset voidaan käsitellä alhaisilla öljypitoisuuksilla (öljypitoisuus noin alle 1-2 %) bitumistabiloimalla, aumakompostoimalla tai pesemällä siirrettävällä pesulaitteistolla. Kymenlaakson alueelle voidaan tuoda myös alueen ulkopuolelta siirrettäviä laitteistoja. Siirrettävät termodesorptiolaitteistot on tehty pilaantuneen maa-aineksen ensisijaiseen käsittelyyn, mutta samalla voidaan käsitellä myös muita jätejakeita, joilla on pieni partikkelikoko (alle 5-10 cm). Savaterra Oy:n siirrettävän termodesorptiolaitteiston kapasiteettiarvio on 100 000 t/a. Myös Niska & Nyyssönen Oy:llä on siirrettävä termodesorptiolaitteisto. Doranova Oy:n siirrettävän pesulaitteiston kapasiteettiarvio on 30 000- 50 000 t/a öljyistä maa-ainesta. Tutkimuksessa on ollut mukana myös Riihimäen Ekokem Oy Ab:n jätevoimala, jonka kapasiteettiarvio on 40 000-45 000 t/a erityisesti öljyisille orgaanisille aineksille, varusteille ja kuolleille eläimille. Riihimäen Ekokem Oy Ab:n ongelmajätelaitoksen rumpuuuneissa voidaan käsitellä arviolta 80 000-100 000 t/a öljyisiä maa-aineksia eli kiinteitä jätteitä, joiden partikkelikoko on suunnilleen alle 10 cm, ja 20 000 t/a nestemäisiä öljyisiä jätteitä. Työn loppupuolella on esitelty myös öljyisen meriveden käsittelyyn soveltuvia laitoksia ja niiden rajoituksia käsitellä kyseistä jätettä. Kyseisten laitosten kapasiteetit selviävät usein vasta onnettomuuden sattuessa. Kaikkiin annettuihin kapasiteettiarvioihin vaikuttaa merkittävästi jätteen koostumus. Raportin lopussa on esitelty alustava toimintasuunnitelma öljyvahinkojätteen käsittelemiseksi. Suunnitelmaan sisältyvät eri jätejakeille laaditut kaaviot, joista voi nähdä muun muassa eri jätekoostumuksille teknisesti soveltuvat käsittelymenetelmät ja käsittelymenetelmiä suorittavat yritykset. Öljyalusonnettomuuden sattuessa soveltuviin yrityksiin tulee ottaa yhteyttä ja selvittää kyseisellä hetkellä vapaana oleva käsittelykapasiteetti. Raportissa on myös esitelty käsittelykustannuksiin vaikuttavia tekijöitä ja arvioitu aiheutuvia kuljetuskustannuksia. Saadut tutkimustulokset ovat hyödynnettävissä erityisesti Kymenlaakson alueella. Tiedot käsittelymenetelmistä ja niiden rajoitteista ovat hyödynnettävissä valtakunnallisesti.

Metsäteollisuuden lietteiden bioterminen kuivaus

Työssä tarkastellaan kompostointiin perustuvaa biotermistä kuivausprosessia, prosessiin vaikuttavia tekijöitä sekä sen soveltuvuutta metsäteollisuuden mekaanisesti kuivatun jätevesilietteen lisäkuivaukseen polttoa varten. Tutkimukseen kuuluvien paperitehtaiden lietteillä suoritettavien biotermisten kuivauskokeiden avulla tutkitaan tehtaiden lietteiden sopivuutta biotermiseen kuivaukseen. Lisäksi tehtaille suunnitellaan kuivauskokeiden ja paperitehtailla tehtävien selvitysten perusteella bioterminen kuivauslaitos. Suomen metsäteollisuus tuottaa nykyisin noin 400 000 – 500 000 kuiva-ainetonnia jätevedenpuhdistamolietteitä vuosittain. Tutkimukseen kuuluvan kahden tehdasintegraatin biologisilla puhdistamoilla syntyvien jätevesilietteiden määrät ovat keskimäärin 33 000 ja 15 000 kuiva-ainetonnia vuodessa. Ongelmana metsäteollisuudessa on jätevesilietteen alhainen kuiva-ainepitoisuus lietteen mekaanisen kuivauksen jälkeen. Tämä vaikeuttaa lietteen polttamista voimalaitoskattilassa ja lietteen poltosta talteen saatavan energian määrä jää vähäiseksi. Mekaanisesti kuivatun sekalietteen käsittely biotermisesti kuivaamalla mahdollistaa lietteen kuiva-ainepitoisuuden nostamisen yli 55 %:in kuiva-ainepitoisuuteen. Tämä helpottaa lietteen polton ongelmia ja kasvattaa lietteen poltosta talteen saatavan energian määrää. Bioterminen kuivaus soveltuu hyvin tutkimukseen kuuluvien tehtaiden sekalietteen kuivaukseen. Suositeltava sekalietteen lähtökuiva-ainepitoisuuden arvo on välillä 30 – 35 % ja tukiaineeksi lisättävän kuoren määrä noin 0,5 m3 yhtä lietekuutiota kohden. Kuivausprosessin kesto on tällöin 10 – 14 vuorokautta, kun haluttu lietepolttoaineen kuiva-ainepitoisuus on vähintään 55 %. Tehtaille suunnitelluissa laitoksissa käsiteltävä lietemäärä on noin 40 000 märkätonnia vuodessa. Tutkimukseen kuuluvalle paperitehtaalle yhdistetyn lietteenkuivausprosessin kustannukset ovat edullisimmat kun liete kuivataan ennen biotermistä kuivausta mekaanisesti 35 %:in kuiva-ainepitoisuuteen. Tällöin lietteenkäsittelyn hinnaksi tulee noin 150 mk/t.

Kompostointilaitoksen lopputuotteen käyttömahdollisuudet. Case: Himanka

Työssä selvitetään kompostointilaitoksen lopputuotteen erilaisia käyttömahdollisuuksia. Yleisten käyttökohteiden pohjalta on luotu malli Vapo Oy Biotech:n toimittaman Himangan kompostointilaitoksen kompostin hyödyntämiselle. Laitos sijaitsee Himangan kunnassa Keski- Pohjanmaalla. Laitoksella kompostoidaan pääasiassa Himangan ja ympäröivien kuntien jätevesilietteitä turkiseläinlantaa. Jätehuolto Suomessa ja koko EU:n alueella elää voimakasta muutoskautta. Orgaanisten jätteiden vienti kaatopaikoille pyritään tulevaisuudessa lopettamaan kokonaan, mikä on lisännyt niiden käsittelyä mm. kompostoimalla. Kompostoinnin lopputuotteena saadaan ravinteikasta, humuspitoista ainesta. Kompostoinnin yhtenä tavoitteena on tuottaa hyötykäyttöön soveltuvaa tuotetta, joten käyttökohteen löytäminen kompostille on laitoksen toiminnan kannalta erittäin tärkeää. Kompostin käyttömahdollisuuksiin vaikuttavat lainsäädäntö, kompostin ominaisuudet sekä paikalliset olosuhteet. Käyttökohteet on työssä jaettu ei-energiakäyttöön ja energiakäyttöön. Ei-energiakäyttöön kuuluvat maanparannuskäyttö, lannoitekäyttö, käyttö kasvualustassa, maisemointi ja julkinen rakentaminen sekä joitakin erityissovelluksia. Energiakäytön puolella on tarkasteltu kompostin soveltuvuutta erilaisille polttotekniikoille sekä vertailtu kompostia muihin kiinteisiin polttoaineisiin. Kompostien soveltuvuutta eri kohteisiin on arvioitu kompostin analyysi- ja kasvatuskoetulosten pohjalta. Kompostin ei-energiakaytössa on saatu eri tutkimuksissa lupaavia tuloksia. Kompostin on todettu soveltuvan erittäin hyvin mm. perunanviljelyyn, viljan ja nurmikasvien viljelyyn ja erilaisiin maisemointikohteisiin sekä kotipuutarhakäyttöön. Kompostin käyttöä polttoaineena ei ole vielä kokeiltu missään. Kompostin polton suurimmat ongelmat ovat korkea tuhka-, rikki- ja typpipitoisuus sekä epätasainen laatu.

Metsäteollisuuden jätevedenpuhdistamon lietteiden vaihtoehtoiset käsittelymenetelmät.

Työ on tehty osana ympäristöklusterin tutkimusohjelmaa "Materiaalivirrat ja energiankäyttö metsäteollisuusintegraatissa ja niihin liittyvät toimintastrategiat ympäristövaikutuslähtöisesti". Juha Räsänen on tehnyt metsäteollisuuden sivuainevirroista projektissa perusselvityksen, joka on tämän työn pohjana. Työn tavoitteena on ollut selvittää neljän itäsuomalaisen metsäteollisuusintegraatin tapauksissa vaihtoehtoisten lietteenkäsittelymenetelmien tekninen ja taloudellinen soveltuvuus nykyiseen käsittelyyn verrattuna. Tutkimuksessa hyödynnettiin aikaisempia tutkimustuloksia ja eri laitevalmistajien ja metsäteollisuusintegraattien kokemuksia. Työssä esitettäviä arvioita voidaan hyödyntää myös sektoritasolla. Metsäteollisuuden jätevedenpuhdistamon lietteistä käsiteltävyyden kannalta vaativin on bioliete, jonka osuuden kasvaessa perinteinen mekaaninen puristaminen ja poltto vaikeutuvat useilla tehtailla merkittävästikin nykyään ja lähivuosina. Polton ongelmat ja niistä aiheutuva ajoittainen aumakompostointitarve voivat puoltaa joko sekalietteen termistä tai biotermistä kuivausta ennen polttamista. Toinen tapa ratkaista lieteongelma on käsitellä bio- ja primäärilietteet erikseen. Biolietteen lipeälinjakäsittelyssä liete lingotaan, käsitellään mustalipeällä, haihdutetaan ja poltetaan soodakattilassa. Bioliete voidaan myös mädättää ja käsitellä sen jälkeen perinteisessä mekaanisessa puristuksessa. Kaikki käsitellyt menetelmät ovat teknisesti toteutettavissa, kunhan tietyt prosessireunaehdot täyttyvät. Vaihtoehtoiset käsittelymenetelmät vähentävät lietteen jäteluonnetta, mutta vastaavasti kustannukset lisääntyvät usein merkittävästi. Menetelmien käytöstä aiheutuvat integraatin puhdistamolietteen käsittelyn kokonaiskustannukset laskettiin työn osana olevalla taulukkolaskentasovelluksella laitetoimittajien budjettitarjouksia hyödyntäen. Biolietteen poltto soodakattilassa tarjoaa kustannusten kannalta houkuttelevimman ratkaisun. Työhön sisältyvää laskentamenettelyä voidaan soveltaa periaatteessa minkä tahansa metsäteollisuusintegraatin tapaukseen.

Kankaanpään yhdyskuntalietteestä tehdyn kompostituotteen hyödyntämismahdollisuudet ja niiden taloudellisuus

Tämän diplomityön tarkoituksena on etsiä Kankaanpään yhdyskuntalietteestä kompostoidulle tuotteelle hyödyntämis- ja myyntimahdollisuuksia, joilla saataisiin lietteen käsittely kannattavaksi toiminnaksi. Työssä tarkastellaan eri hyödyntämisvaihtoehtojen sopivuutta Kankaanpäähän ja lasketaan eri vaihtoehtojen kannattavuutta. Lisäksi tarkastellaan kompostituotteen hyödyntämistä koskevaa lainsäädäntöä ja kompostituotteen hyödyntämisen nykytilannetta. Työssä on tutkittu eri mahdollisuuksia, joita lietteestä valmistetun kompostin hyödyntämiselle on olemassa ja näiden asettamia vaatimuksia. Hieman on myös tutkittu kirjallisuudesta kehitteillä olevia uusia hyödyntämismahdollisuuksia sekä hyödyntämistä rajoittavia tekijöitä. Esimerkkilaitosten pohjalta on puolestaan tutustuttu käytännössä kompostituotteen tämän hetkiseen hyödyntämiseen ja toiminnan kaupalliseen puoleen. Kankaanpään kompostointilaitoksen mahdollisuuksiin on perehdytty tarkastelemalla Kankaanpään alueellisia seikkoja kuten elinkeinorakennetta, polttolaitoksia, tulossa olevia rakennuskohteita sekä naapurikuntien tilannetta. Näiden sekä kompostointilaitoksen tietojen pohjalta on lähdetty miettimään Kankaanpäälle sopivimpia hyödyntämisvaihtoehtoja ottaen huomioon myös tuotteen laatu. Vaihtoehdoille on laskettu kustannuksia laitokselle tarvittavien uudistusten ja muutosten mukaan ja niiden sekä oletettujen markkinanäkymien pohjalta on koottu kassavirtalaskelmia. Näiden laskelmien pohjalta on saatu Kankaanpäälle sopivimmiksi vaihtoehdoiksi koko kompostimäärän myynti irtotuotteena viherrakennukseen maanparannusaineena tai valmiina kasvualustana tai vaihtoehtoisesti osan tuotteesta pussittaminen kasvualustana tai rakeistettuna ja lopun kompostin myynti irtotuotteena viherrakennukseen. Tuotteen arvoa voidaan nostaa hyvän palvelun kautta eli esimerkiksi tarjoamalla kuljetusta kompostille, laajalla tuotevalikoimalla ja tuotteen korkealla laadulla.

Biojätteen erilliskeräyksen ja sekajätteenkeräyksen kustannusvertailu

Tutkimuksessa selvitetään biojätteen erilliskeräyksen ja sekajätteenkeräyksen kustannusero. Tutkimuksen tarkastelualueena käytetään Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy:n toiminta-aluetta. Selvityksessä käytettään alueelle tyypillisiä keräystapoja ja lähtötietoja. Selvityksessä tarkastellaan ainoastaan kotitalouksissa syntyvän jätteen keräyskustannuksia. Ulkopuolelle on jätetty liikekiinteistöt ja liiketiloja sisältävät asuintaloudet sekä aluekeräyspisteet, mutta muuten kustannustekijät on pyritty huomioimaan mahdollisimman laajalti. Tutkimuksen mukaan biojätteen erilliskeräyksen kustannukset ovat selvästi suuremmat kuin sekajätteen keräyksen. Omakotitaloalueilla keräyskustannukset ovat kaksi kertaa suuremmat kuin kerros- ja rivitaloalueella. Sekajätteenkeräyksen kokonaiskustannukset ovat noin 1960 mk/t ja biojätteen erilliskeräyksen noin 2900 mk/t. Muita tutkimuksia suurempi kustannusero selittyy osin sillä, että kustannustekijöitä on huomioitu laajemmin kuin muissa tämäntyyppisissä tutkimuksissa. Jätteenkeräyksen kustannuksia pystytään pienentämään esimerkiksi lisäämällä omatoimista kompostointia, keräysvälineiden teknillisellä kehittämisellä ja pientaloaluilla kiinteistöryhmäkohtaisten keräyspisteiden muodostamisella.

Estudi d'alternatives de gestió de la fracció orgànica generada al municipi de l'Esquirol

L'entrada en vigor de la Directiva 1999/31/CE limita l'entrada de residus biodegradables a l'abocador i promou la gestió d'aquests residus per altres vies. El compostatge és una alternativa a la deposició en abocador que respecta el cicle natural de la matèria. A Catalunya, aquesta tècnica s'ha vist potenciada pels plans de gestió de residus PRECAT201 i PINFRECAT202. L'objecte d'aquest estudi és avaluar l'eficiència de la recollida selectiva al municipi de l'Esquirol; i comparar i avaluar diferents alternatives de gestió de la FORM3 dins i fora del municipi. La metodologia de l'estudi ha consistit en analitzar les dades de la recollida selectiva de l'ARC4, tant del municipi de l'Esquirol com de la resta de municipis del Collsacabra, i calcular els costos econòmics de la gestió de la FORM en el supòsit de tractament mitjançant l'autocompostatge, una planta de compostatge a petita escala o el tractament en una planta de compostatge convencional. Els resultats de l'estudi indiquen que la recollida selectiva del municipi de l'Esquirol obté uns valors per sobre dels objectius del PROGREMIC5, amb l'excepció de la FORM. Per tal de millorar la qualitat i la quantitat de la FORM recollida, l'estudi proposa en una primera fase: implantar el sistema de recollida selectiva porta a porta d'aquesta fracció i de la fracció resta; i en una segona fase: tractar la FORM en una petita planta de compostatge amb el sistema de sitges amb ventilació forçada.

Bioenergiaa ja ravinteita kasvi- ja eläinperäisistä sivuainevirroista Parikkalassa

Euroopan unionissa pyritään lisäämään uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Tämän työn tavoitteena oli selvittää Parikkalan kunnan alueella muodostuvat biomassat sekä tutkia niiden hyötykäyttömahdollisuuksia sähkön, lämmön sekä lannoitteiden tuotannossa. Käsiteltäviä biomassoja ovat eläintilojen lietteet ja lannat, biojätteet ja yhdyskuntalietteet, vesistöjen kunnostuksessa syntyvät biomassat sekä peltobiomassat ja metsäbiomassa. Mädätyksen kannalta olennaisinta on materiaalien kosteus ja haihtuvan orgaanisen aineksen pitoisuus sekä siitä saatava biokaasumäärä. Poltossa polttoaineen kuiva-aineen lämpöarvo ja kosteus määrittelevät saadun hyödyn. Kompostoinnissa on tärkeää huolehtia riittävästä ilman saannista ja riittävästä viipymäajasta. Hyödynnettäessä biokaasua sähkön ja lämmön yhteistuotannossa on tärkeää löytää hyötykäyttö myös muodostuvalle lämmölle. Poltosta saatavan tuhkan hyötykäyttö onnistuu metsälannoitteena, kun poltetaan turvetta tai puuta. Kompostia voidaan hyödyntää maanparannusaineena. Parikkalan alueella tarkasteltiin biomassojen nykyistä ja mahdollista tulevaa hyötykäyttöä. Tarkastelu tehtiin skenaarioiden avulla. Skenaarioihin kuuluvat mädätyksen ja polton maksimipotentiaalit sekä keskitetyn ja hajautetun käsittelyn skenaariot. Alueelta on saatavissa paljon biomassoja, joista massaltaan suurin on eläintilojen lannat. Alueella on hankaluutena löytää sopiva kulutuskohde biokaasusta tuotetulle lämmölle, mutta sopivana kohteena voisi toimia alueella oleva suuri sikala tai lämpökeskukset.

The Current Situation of Sewage Sludge and Manure Treatment in Livestock Enterprises in the Leningrad Region

The problem concerning livestock waste handling in the Leningrad region has been subjected to a number of research works. However, the requirements for use of manure and sewage sludge as well as for treatment processes are not certain. So, this problem remains relevant and, therefore, further investigation ought to be made. Currently a large amount of sewage sludge and manure is generated in the Leningrad region. These livestock wastes have to be obligatory treated. The most common methods for treatment in the region, such as anaerobic digestion, composting and aging as well as the most potential methods are described in the thesis. The most potential methods for the Leningrad region are anaerobic digestion, composting and combustion. Each method has strengths and weaknesses, which are also considered in the paper. Aging was not considered as potential treatment method because it does not meet the sanitary and epidemiological requirements. Furthermore, the work gives an overview and comparison of Finnish and Russian legislative and normative acts concerning livestock wastes handling. On the whole the requirements of the Russian Federation concerning sewage sludge and manure are not much different from the Finnish ones.