Miten genomi-sekvensointi voi parantaa juomavesiverkostojen hallintaa ja turvallisuutta?

Sekvensointitekniikoiden kehitys on ollut avainasemassa juomavesiverkostojen (DWDS) mikrobiyhteisöjen tutkimuksessa, tarjoten syvällisempiä ja tarkempia tietoja veden laadusta ja mikrobien käyttäytymisestä verkostossa. Erityisesti metagenomiikka on noussut tärkeäksi työkaluksi, koska se mahdollistaa koko genomin analysoinnin, mikä menee syvemmälle kuin perinteinen taksonominen lähestymistapa, kuten 16S rRNA -geenin sekvensointi. Esimerkiksi Brumfield et al. (2019) tutkivat neljää erilaista juomaveden tyyppiä ja löysivät mikro-organismeja kaikista valtakunnista, mutta tietyt analyysit, kuten antibioottiresistenssigeenien havaitseminen, eivät antaneet selkeitä tuloksia, koska havaittu DNA:n määrä oli liian pieni luotettavien johtopäätösten tekemiseen. Tämä voi johtua esimerkiksi siitä, että vesijohtoveden mikrobipitoisuus ja -monimuotoisuus ovat odotettavasti alhaisemmat verrattuna vesijohtoverkoston biofilttereihin.

Sekvensointiteknologiat, kuten Sanger- ja kloonipohjainen sekvensointi, tarjoavat tarkempia mikrobiluokitteluja kuin PCR-pohjaiset menetelmät. Vaikka kloonipohjainen sekvensointi onkin tuottanut merkittäviä tuloksia mikrobin monimuotoisuuden tutkimuksessa, sen työvoimavaltaisuus ja kustannukset rajoittavat sen käyttöä laajamittaisessa mikrobianalyysissä. Tässä vaiheessa seuraavan sukupolven sekvensointitekniikat (NGS) tulevat peliin, sillä ne tekevät sekvensoinnista nopeampaa ja edullisempaa kuin perinteinen Sanger-tekniikka.

Tässä yhteydessä on tärkeää ymmärtää metagenomiikan merkitys. Perinteiset, viljelymenetelmiin perustuvat lähestymistavat voivat tutkia vain pienen osan mikrobeista, koska ne rajoittuvat viljelykelpoisiin lajeihin. Metagenomiikka puolestaan mahdollistaa ympäristönäytteistä suoraan eristetyn kokonais-DNA:n analysoinnin, mikä poistaa viljelyn aiheuttamat vinoumat ja tarjoaa laajemman kuvan mikrobiyhteisöistä.

Kolmannen sukupolven sekvensointimenetelmät, kuten yksimolekyylisekvensointi, tarjoavat mahdollisuuden tuottaa pidempiä lukupituuksia ja tarkempia genomeja. Tällainen sekvensointi on erityisen hyödyllistä, kun pyritään selvittämään monimutkaisempien genomien rakenne tai yhdistämään geenit niiden kantajiin. Esimerkiksi Pacific Biosciences ja Oxford Nanopore ovat edelläkävijöitä tällaisissa teknologioissa, vaikka alkujaan niiden virhemarginaalit olivat suuria. Nykyisin virheiden vähentämiseksi on kehitetty pyörivää konsensussekvensointia, joka mahdollistaa tarkempien ja täydellisempien genomeiden tuottamisen.

Näiden kehityksien myötä on tullut mahdolliseksi tarkastella vesijohtoverkostoissa esiintyviä mikrobiyhteisöjä entistä laajemmin ja tarkemmin. Tärkeä näkökohta on, että sekvensointipohjaiset tekniikat tarjoavat mahdollisuuden laajempaan ja syvällisempään analyysiin kuin perinteiset viljelymenetelmät, jotka voivat jättää huomiotta suuren osan vesijohtoverkoston mikrobeista. Tämän vuoksi metagenomiikka ja NGS ovat erinomaisia työkaluja, joilla voidaan ymmärtää paremmin, miten mikrobiyhteisöt käyttäytyvät ja miten ne vaikuttavat veden laatuun ja turvallisuuteen.

On tärkeää myös ymmärtää, että vaikka teknologian kehitys on tuonut mukanaan huomattavia parannuksia, kuten nopeamman ja tarkemman sekvensoinnin, se ei ole esteenä mikrobien ja veden laadun ymmärtämiselle. Pikemminkin se avaa uusia mahdollisuuksia ongelmien ennakoimiseen ja hallintaan, erityisesti kehitysmaissa, joissa vesijohtoverkostot voivat olla vanhentuneita ja alttiita mikrobikasvuston hallitsemattomalle lisääntymiselle.

Miten jätevesilaitosten mineraalien hyödyntäminen voi edistää kestävää kehitystä?

Jätevesien käsittelylaitosten (WWTP) mineraalien hyödyntäminen ja arvonlisäys ovat lupaavia suuntauksia kohti kiertotaloutta, ja niiden myötä ympäristön kuormitus vähenee. Näin ollen yhteiskunta voi alkaa nähdä jätevedenpuhdistamot resurssina, ei vain jätteiden käsittelysektorina. Tämän lähestymistavan myötä kehittyy kestävä kehitys, jossa jätevesien käsittely ei ainoastaan vähennä ympäristön kuormitusta, vaan tuottaa myös uusiutuvia resursseja, jotka voivat osaltaan tukea energiatuotantoa, ravinteiden talteenottoa ja maatalouden lannoitustarpeita.

Biokaasun tuotanto

AD-prosessissa esiintyy neljä päävaihetta: hydrolyysi, acidogeneesi, aseto- ja metanogeneesi. Erityisesti metanogeneesi, joka tapahtuu mikrobiryhmien avulla, on prosessivaihe, joka on herkkä lämpötilan, pH:n ja hiilen ja typen suhteelle. Tämä tekee prosessin optimaalisista olosuhteista keskeisen tekijän biokaasun tuoton parantamiseksi. Vaikka biokaasun tuotto on yleisesti tehokas energianlähde, yksi suurimmista haasteista on alhainen biokaasun saanto. Monet tutkimukset ovat osoittaneet, että yksivaiheinen AD tuottaa usein alhaisia metaanitasoja, mikä rajoittaa biokaasun hyödyntämistä täysimääräisesti.

Lannoitteiden tuotanto

Perinteiset jätevesien käsittelymenetelmät keskittyvät pääasiassa jätevesissä olevien saasteiden poistamiseen ennen niiden päästämistä luontoon. Vaikka tämä lähestymistapa on ollut tärkeä ihmisten terveyden suojelemisessa, se ei ole riittävä kestävän kehityksen näkökulmasta, sillä saasteiden poisto vaatii suuria energiapanostuksia ja materiaaleja. Nykyisin jätevesien ravinteiden, kuten typen ja fosforin, talteenotto on saanut yhä enemmän huomiota, sillä niiden määrät voivat olla huomattavia. Ravinteiden talteenotto voi tuottaa merkittäviä ympäristöhyötyjä, kuten lieventää lannoitteiden tuotannon ongelmia ja vähentää eutrofikaation riskiä vesistöissä.

Biohiilen syntetisointi

Jätevesilietteiden käsittely ja niiden hajoaminen ympäristössä on saanut merkittävää huomiota tutkimuksessa, sillä huono käsittely voi johtaa vakaviin ympäristövahinkoihin. Jätevesilietteiden turvallinen hävittäminen on elintärkeää vesistöjen ja maaperän suojelun kannalta. Yksi lupaava menetelmä on biohiilen syntetisointi, joka toteutetaan biomassan, kuten jätevesilietteen, hiiltymisen kautta hapenpuutteisessa ympäristössä. Biohiili on erittäin huokoinen ja sillä on suuri pinta-ala, joka mahdollistaa raskasmetallien adsorboitumisen, mikä voi parantaa maaperän laatua ja vähentää maaperän saastumista.

Puhtaan veden elvyttäminen

Vesi on maapallon tärkein resurssi, jonka merkitys korostuu väestönkasvun ja teollisuuden kehityksen myötä. Vedenlaadun heikkeneminen, joka johtuu teollistumisen ja urbanisaation myötä lisääntyneistä saasteista, on merkittävä ongelma. Noin 70 % maailman väestöstä kohtaa haasteita puhtaan juomaveden saatavuudessa, sillä vain noin 2 % maapallon vedestä on makeaa ja käytettävissä ihmisten kulutukseen. Jätevesistä peräisin olevat saasteet, kuten raskasmetallit, väriaineet ja lannoitteet, heikentävät vesiekosysteemien tilaa.

Jätevesien puhdistaminen ja niiden uudelleenkäyttö tarjoavat merkittäviä ympäristöetuja, kuten vähentävät vesistöjen saastumista ja vähentävät riippuvuutta luonnollisista vesivaroista. Erilaisia veden puhdistamismenetelmiä tutkitaan edelleen, mutta suodatusprosessi on tunnistettu erityiseksi menetelmäksi puhtaan juomaveden elvyttämiseen ilman, että se aiheuttaa biodiversiteettiriskejä, kuten saostus- ja adsorptiomenetelmät saattavat tehdä.

Jätevesien ja niistä saatavien tuotteiden hyödyntäminen on olennainen osa kiertotaloutta, ja sen täysimääräinen hyödyntäminen voi tarjota ratkaisuja moniin ympäristö- ja energiaongelmiin. Kestävän kehityksen edistäminen edellyttää kuitenkin tehokkaita ja taloudellisesti toteutettavissa olevia menetelmiä, jotka pystyvät käsittelemään jätevesiä tavalla, joka ei vain puhdista, vaan myös tuottaa uusia resursseja, joita voidaan hyödyntää ympäristön ja yhteiskunnan hyväksi.

Miten kehitämme kestäviä vesienkäsittelyratkaisuja, jotka tukevat ympäristön ja yhteiskunnan terveyttä?

Kehitetty kehys tarjoaa päättäjille, tutkijoille ja asiantuntijoille tehokkaan työkalun luonnollisten kosteikkojärjestelmien optimoimiseksi happaman kaivovesiveden (AMD) ja emäksisten vesien käsittelyyn. Tämä lähestymistapa huomioi useita kestävyysulottuvuuksia, mittaa suorituskykyä, linjautuu YK:n kestävän kehityksen tavoitteiden (SDG) kanssa ja mahdollistaa kokonaisvaltaisen arvioinnin. Kehys tukee myös ratkaisujen skaalaamista ja toistettavuutta, mikä tekee siitä arvokkaan työkalun teollisuuden ja kaivosteollisuuden jätevesien haasteiden käsittelemiseksi samalla, kun se edistää globaalia kestävän kehityksen agendaa.

Esitetty indeksi (Taulukko 2.5) tukee kestävän kehityksen tavoitteiden viitekehystä tarjoamalla rakenteellisen ja kattavan lähestymistavan, joka vastaa AMD:n ja emäksisten vesien käsittelyn haasteisiin. Se kattaa laajan valikoiman keskeisiä indikaattoreita, jotka mittaavat muun muassa veden laatua, biodiversiteettiä, maankäytön käytäntöjä, ruuantuotantoa ja energiankulutusta. Tällainen lähestymistapa mahdollistaa holistisen tarkastelun, jossa otetaan huomioon sekä ympäristön että yhteiskunnan tarpeet ja tavoitteet.

Vedenlaadun osalta indikaattorit, kuten pH (6,5–8,5), liuenneen hapen määrä (>5 mg/l) ja metallipitoisuudet, ovat tärkeitä mittareita, jotka vaikuttavat suoraan kosteikkojärjestelmän tehokkuuteen ja toimivuuteen. Kosteikkokäsittely on osoittautunut tehokkaaksi, kun järjestelmä on optimoitu ja hybridi-NBS (luonnonpohjaiset ratkaisut) -mallit otetaan käyttöön. Samalla on tärkeää arvioida ympäristön ja ekosysteemin elinvoimaisuutta, sillä rehevä kasvillisuus ja elinympäristön monimuotoisuus tukevat kosteikkojen luonnollista puhdistustehoa.

Ilmastonmuutoksen kannalta huomioidaan myös vesivaroihin liittyvät tekijät. Esimerkiksi veden saatavuuden vakaus ja minimilämpötilan vaihtelut voivat vaikuttaa kosteikkojärjestelmien pitkäaikaiseen kestävyyteen. Tällöin ei voida sivuuttaa kasvien hallintaa ja luontoon palauttamista (rewilding), jotka yhdessä edistävät ekosysteemin sopeutumista ilmastonmuutokseen.

Ruuantuotannon ja maanviljelyn osalta kestävä maatalouskäytäntöjen integroiminen vesienkäsittelyjärjestelmiin tuo lisää arvoa. Tämä näkyy esimerkiksi sadon tuoton kasvuna (20 % lisäys), maatalouden resurssitehokkuuden parantamisena (25 % vähemmän kasteluveden käyttöä) ja ravinteiden sisällön paranemisena (30 % parannus). Kosteikkojen ympärille rakennettavat kestävämmät maatalouskäytännöt voivat toimia sekä ravinteiden kierrätysjärjestelminä että elintarviketuotannon tukena, joka puolestaan edistää taloudellista ja yhteiskunnallista kestävyyttä.

Biodiversiteetin parantaminen on yksi tärkeimmistä indikaattoreista kosteikkohankkeissa. Lajien rikkauden lisääminen (20 % parannus) ja elinympäristöjen laadun parantaminen liittyvät läheisesti toisiinsa ja ovat elintärkeitä ekosysteemien resilienssille ja kestävyydelle. Tällöin ei ole riittävää ainoastaan hallita vesijärjestelmiä, vaan on tärkeää huolehtia myös maaperän, kasvillisuuden ja eläimistön terveyden palauttamisesta.

Kosteikkokäsittelyn tuomat taloudelliset hyödyt ulottuvat myös infrastruktuuriin ja työpaikkoihin. Esimerkiksi kestävä infrastruktuurin kehittäminen kosteikkoveten käsittelyjärjestelmien ympärille tuo paitsi ympäristön hyödyt myös taloudellista lisäarvoa paikallisille yhteisöille. Työpaikkojen luominen ja koulutusohjelmat kosteikkoekosysteemien hallintaan parantavat yhteisöjen elämänlaatua ja tarjoavat uusia työllistymismahdollisuuksia.

Energianhallinta on myös tärkeä osa kestävien vesienkäsittelyratkaisujen kehittämistä. Uusiutuvan energian lisääminen kosteikkokäsittelyjärjestelmien infrastruktuuriin sekä energiatehokkuuden parantaminen voivat merkittävästi vähentää ympäristökuormitusta ja tukea taloudellisesti kestävämpää toimintaa. Tällöin pyritään minimoimaan perinteisten fossiilisten polttoaineiden käyttö ja edistämään uusiutuvien energialähteiden kuten aurinko- ja tuulivoiman hyödyntämistä.

Kehitystyön onnistumiseksi on keskeistä, että kaikki osapuolet, kuten paikallisyhteisöt, hallitukset ja yritykset, tekevät tiivistä yhteistyötä. Yhteistyön kautta voidaan varmistaa, että vesienkäsittelyratkaisut eivät ainoastaan täytä ympäristön vaatimuksia, vaan tuovat myös yhteiskunnallisia ja taloudellisia hyötyjä.