Mikrobiell mineralisering av struvit kan vara ett alternativ till utvinning av struvit i en kemisk process vid relativt högt pH. Försök gjordes med användning av en metallofil bakterie Enterobacter sp. EMB19 för kristallisering av struvit.
Av: Bengt Andersson
Återföring av fosfor från avloppsfraktioner är synnerligen angeläget och hållbara sätt för återföringen har diskuterats under lång tid. Ett sätt är återvinning i form av struvit, som är en etablerad kemisk process som föreligger som en kommersiellt tillgänglig teknik. Struvit är ett värdefullt gödningsmedel rikt på både fosfor och kväve med mycket låga halter av tungmetaller och toxiska organiska ämnen och som dessutom innehåller det viktiga spårämnet magnesium. Den kemiska processen kräver ett relativt högt pH.
Ett alternativ till utvinning av fosfor i form av struvit i en kemisk process är utnyttjande av metallofila mikroorganismer. Metallofiler är begåvade med olika fysikalisk/kemiska och biokemiska mekanismer genom vilka de kan ändra den fysiska och kemiska sammansättningen av metaller och mineral. Många olika bakteriestammar har visat sig kunna producera struvit antingen in-situ eller ex-situ men de flesta erfordrar en hög koncentration av fosfor för bildandet av struvit.
Målet för genomförd undersökning var att kunna producera struvit från ett medium med lågt fosforinnehåll. Hypotesen var att detta skulle kunna vara möjligt genom att utnyttja den metallofila bakterien Enterobacter sp. EMB19.
Genomförande av undersökningen
Bakterien Enterobacter sp. EMB19 isolerades från jord och lagrades i laboratoriet vid 4 oC på agarplattor. En full ögla av plattan och ett näringsmedium med jästextrakt, pepton och koksalt inkuberades vid 30 oC under omrörning. Efter 24 timmar hade kulturen en optisk densitet av omkring 1 och denna kultur användes som ymp vid försöken (moderkultur). Vid försöken blandades 100 ml av en lösning bestående av jästextrakt, pepton, dextros, koksalt och magnesiumsulfat vid pH 7 (mediumlösningen) med 1 volyms % av moderkulturen, varefter inkubering skedde vid 30 oC under omrörning.
Bildade struvitkristaller skördades efter 7 dagar. Kristallerna fick sedimentera i odlingsflaskorna under 1 timme och efter avskiljning av vattenfasen tvättades och torkades kristallerna i rumstemperatur. Kristallerna fotograferades med hjälp av ett digitalt mikroskop och genom scanning i ett elektronmikroskop och de karakteriserades med hjälp av röntgenkristallografi, energiröntgenspektroskopi och infrarödspektroskopi.
Effekten av mediumlösningens sammansättning på kristallformationen av struvit studerades genom att variera tillsats och typ av oorganisk kemikalie. En utvärdering av toleransen för tungmetaller gjordes för den isolerade stammen ympad i 50 ml mediumlösning och med tillsats av 5 olika metaller i olika koncentrationer. Inkubering skedde vid 30 oC under omrörning i 96 timmar. Bakterietillväxten i varje flaska mättes genom bestämning av den optiska densiteten vid 660 nm.
Resultat
Genom försök med metallanrikning konstaterades att bakteriestammen Enterobacter sp. EMB19 var tungmetalltolerant, där den inhiberande effekten uppmättes till Zn2+ (10-15 mg/l) >Cd2+ (30-40) >Hg2+ (50-60) >Pb2+ (100-125) >Mn2+ (100-150).
Vid inkubering av moderkultur och mediumlösning observerades en kristallisering av struvit efter 3 – 4 dagar. Förloppet under inkuberingen följdes och pH ökade kontinuerligt från 7 till 8,4 genom omvandling av ammoniak till ammonium samtidigt som fosfathalten minskade och ammoniumhalten ökade. Bakterietillväxten ökade kraftigt under det fösta dygnet (från en optisk täthet strax över 0 till en täthet mellan 5 och 6) för att därefter avklinga under försöket. Omkring 0,096 g/l av struvit bildades oavsett om magnesiumsulfat eller magnesiumklorid användes. En ökning av fosforkoncentrationen gav samma förlopp med en något större bildning av struvit (0,149 g/l). Ingen kristallisering erhölls i flaskorna utan tillsats av moderkultur eller magnesiumsalt. De bildade kristallerna var morfologiskt identiska efter 7 dygn med en viss skillnad i storlek beroende på stadium av kristalltillväxt.
Eftersom bildningen av kristaller skedde vid mycket låg fosforhalt var det viktigt att undersöka kristallernas uppbyggnad och sammansättning för att kunna konstatera förekomst i form av struvit eller i form av andra formeringar. Genom energiröntgenspektroskopi konstaterades att Mg, P, N och O fanns närvarande i kristallerna och genom infrarödspektroskopi konstaterades att spektralbanden överensstämdes mycket väl med värden rapporterade för ren struvit i andra undersökningar. Data från röntgenkristallografi överensstämde även med litteraturdata för struvit.
Bildandet av struvit genom mikrobiell mineralisering med hjälp av Enterobacter sp. EMB19 förklarades dels av frigörandet av ammoniak och ökningen av pH på grund av bakteriernas metaboliska aktivitet dels av en initiering av kristalliseringen genom att cellprodukter, främst proteiner, bildades genom bakteriernas aktivitet. Den drivande kraften för bildandet av struvit var troligtvis en samverkan mellan proteiner och magnesium följt av en växelverkan med ammoniumjoner.
Slutsatser
Studien visade
- att bakterier kan syntetisera ren struvit från ett medium med mycket lågt fosforinnehåll,
- att bildade kristaller är homogena och består av ren struvit,
- att Enterobacter sp. EMB19 kan skapa fysikalisk/kemiska förhållanden som är gynnsamma för kristallisering av struvit genom producerade proteiner tillsammans med ammoniak samt
- att det finns en potential för att utvinna struvit från många olika fosforföreningar genom mikrobiell mineralisering.
Källa: A. Sinha, A. Singh, S. Kumar, S.K. Khare, A. Ramanan. Microbial mineralization of struvite: A promising process to overcome phosphate sequestering crisis. Water Research 54 (2014) pp 33 – 43.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
