Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Biogas bildas när organiskt material bryts ner av mikroorganismer under syrefria (anaeroba) förhållanden. Denna process kallas rötning och utöver biogas, som kan användas som en energikälla, bildas en rötrest som är rik på växtnäringsämnen och kan användas som gödningsmedel. Det substrat som ofta används i biogasanläggningar utgörs ofta av matavfall, restprodukter från livsmedelsindustrin, avloppsslam, stallgödsel och växtbiomassa. Sedan den 1 januari 2024 är det lagstadgat att sortera ut bioavfall från hushåll, vilket möjliggör behandling av detta avfall i biogasanläggningar. Rötrest är ett organiskt gödselmedel där en stor andel av kvävet förekommer som ammoninumkväve, en form som är växttillgänglig. Dessutom innehåller rötrester stabila kolföreningar som på sikt kan bidra till ökad mullhalt och förbättrade jordegenskaper.

En ökad biogasproduktion i Sverige kan medföra att det blir ekonomiskt intressant att utnyttja biomassa från exempelvis vägkanter eller obrukade marker. Detta kan innebära en ökad risk för spridning av både ogräs och invasiva främmande växtarter till åkermark, vid aspridning av rötrester som gödselmedel. Det finns därför ett behov av att undersöka hur olika frön och vegetativa växtdelar från sådana arter påverkas av rötning samt i vilken utsträckning de överlever processen. Kunskap om detta är viktigt för att kunna bedöma risken för spridning via rötrester.

Syftet med denna studie var att skatta grobarhet och vitalitet (total överlevnad) hos frön av rölleka (Achillea millefolium) och skräppa (Rumex spp.) samt vitalitet hos vegetativa växtdelar från rölleka och parkslide (Reynoutria japonica tidigare Fallopia japonica) efter rötning vid mesofila (37°) och termofila (52°C) förhållanden under olika tider. Resultaten jämfördes även med motsvarande behandlingar i vattenbad vid samma temperatur- och tidsförhållanden. Vidare gjordes en metodjämförelse för att bedöma om vattenbad är mer konservativt än rötning, dvs. om resultaten från vattenbad bedöms vara säkra att använda för att skatta risken för överlevnad av frön och vegetativa delar i rötning vid jämförbara förhållanden.

Ett inledande grobarhets- och vitalitetsförsök genomfördes för att få en uppfattning om växtmaterialets status innan behandlingarna. Ett vattenbadsförsök utfördes med frön vid 37°C, 45°C och 52°C under 1–16 timmar samt med vegetativa växtdelar under 37°C och 52°C under 1–4 timmar. I en jämförande studie genomfördes både rötning och vattenbad vid 37°C för frön under 1–32 dagar och vegetativa växtdelar samt vid 52°C för frön under 1–16 timmar. Därutöver genomfördes ett hygieniseringsförsök där frön behandlades i vattenbad vid 70°C under en timme. En binomial modelleringsmetod användes för de statistiska analyserna.

Resultatet visade genomgående att vitaliteten hos frön och vegetativa delar påverkades främst av temperatur och tid för exponering. Högre temperatur och längre exponeringstid medförde lägre vitalitet. I vattenbad med frön vid 37°C, 45°C och 52°C var grobarhet och vitalitet signifikant lägre vid 52°C än vid övriga temperaturer. Vid vattenbad och rötning vid 37°C och 52°C uppvisade skräppafrön en högre vitalitet (cirka 80%) vid båda temperaturerna medan röllekafrönas vitalitet låg signifikant lägre (59% vid 37°C och 25% vid 52°C). Vegetativa delar från rölleka uppvisade signifikant högre vitalitet (50%) vid 37°C vattenbad jämfört med parkslide (18%). Skillnaderna mellan arterna minskade vid 52°C där vitalitet låg på 3–5%. Inga skillnader i vitalitet hittades mellan röllekans frö och vegetativa delar efter rötning eller mellan parkslidens olika växtdelar efter vattenbad. Studien bekräftar att vattenbad är en mer konservativ metod än rötning, eftersom resultaten visar genomgående högre grobarhet och vitalitet efter vattenbart jämfört med rötning.

Slutsatserna från studien blir att högre temperaturer och/eller länge uppehållstid minskar vitaliteten hos frön och vegetativa delar. Skräppafrön var tåligare än röllekafrön vid högre temperaturer, längre uppehållstid och rötning. Efter kortare uppehållstid i rötningsprocessen finns det möjlighet att rötresterna innehåller vitala skräppafrön och att dessa kan spridas på åkern via rötrester, men som under normala retentionstider (15–30 dagar) bedöms risken som låg. Röllekans vegetativa växtdelar hade högre vitalitet än parkslide vid 37°C. Denna skillnad minskade vid högre temperatur (52°C) och längre uppehållstider. Vid rötning av rölleka och parkslidens vegetativa delar hittades inga skillnader och den genomsnittliga vitaliteten var låg. Inga skillnader i vitalitet hittades mellan röllekans vegetativa delar och frön efter rötning och inte heller mellan parkslidens vegetativa efter vattenbad. Resultaten indikerar att risken för att sprida vitala vegetativa delar från rölleka och parkslide via rötrester är låg. Vidare reducerades grobarhet och vitalitet mer vid rötning än vattenbad under motsvarande förhållanden. Detta tyder på att vattenbad är en mer konservativ metod än rötning.

Biogas is produced when organic matter is decomposed by microorganisms under oxygen-free (anaerobic) conditions. This process is called anaerobic digestion and besides biogas, which can be used as an energy source, a digester is produced, which is rich in nutrients and can be used as an organic fertilizer. Common substrates used in biogas plants include food waste, by-products from the food industry, sewage sludge, livestock manure and plant biomass. Since 1 January 2024, the separate collection of households biowaste has been a legal requirement in Sweden. This enables this waste to be treated in biogas plants. Digestate is an organic fertilizing product with a large proportion of the nitrogen present as ammonium. Ammonium is a form of nitrogen which is readily available for plants. Digestate also contains stable carbon compounds that may contribute to increased soil organic matter content and improved soil properties over time.

An increased biogas production in Sweden can lead to an economic interest in using plant biomass from roadside verges and unmanaged land. This may also increase the risk of spreading weeds or invasive alien plant species to agricultural land by using digestate. There is a need to study and investigate how seeds and vegetative plant parts of such species are affected by anaerobic digestion and to what extent they survive the process. This knowledge is crucial for assessing the risk of weed dispersal by using digestate as fertilizer.

The aim of this study was to assess the rate of germination and vitality (total survival) of seeds of yarrow (Achillea millefolium) and dock (Rumex spp.) as well as the viability of vegetative plant parts of yarrow and Japanese knotweed (Reynoutria japonica, formerly known as Fallopia japonica) following anaerobic digestion under mesophilic (37°) and thermophilic (52°) conditions under different retention times. The results were compared with corresponding treatments in water baths under the same temperature and time of treatment. Furthermore, a comparison between the water bath and anaerobic digestion was made to see if water bath is a more conservative method compared to anaerobic digestion. This could show whether results from water baths could be used as an estimate of the survival risk of seeds and vegetate plant parts during anaerobic digestion under comparable conditions.

An initial germination and viability test was conducted to assess the status of the plant material prior to the treatments. Water baths experiments were performed with seeds at 37°C, 45°C and 52°C for 1-16 hours, and vegetative plant parts at 37°C and 52°C for 1-4 hours. In a comparative study, both anaerobic digestion and water bath treatment were conducted at 37°C with seeds for 1-32 days, and with vegetative plant parts, as well as at 52°C with seeds for 1–16 hours. In addition, a sanitization experiment was performed in which seeds were treated in a water bath at 70°C for one hour. A binomial modelling was used for the statistical analyses.

The results consistently showed that the viability of both seeds and vegetative plant parts was primarily affected by temperature and exposure time. Higher temperatures and longer exposure periods resulted in lower viability. In the water bath treatment with seeds, at 37°C, 45°C and 52°C both germination and viability were significantly lower at 52°C compared to the other temperatures. In both water bath and anaerobic digestion treatments at 37°C and 52°C, dock seeds had a higher viability (around 80%) at both temperatures. In the same treatment, yarrow seeds had significantly lower viability (59% at 37°C and 25% at 52°C). Vegetative plant parts of yarrow showed a significantly higher viability (50%) after water bath at 37°C compared with Japanese knotweed (18%). The difference between yarrow and Japanese knotweed decreases at 52°C, where the viability for both species ranged between 3-5%. No significant differences in viability were found between yarrow seeds and vegetative plant parts following anaerobic digestion. No significant differences in viability were found between different vegetative plant parts of Japanese knotweed following water bath. This study confirmed that water bath treatment is a more conservative method than anaerobic digestion. This is demonstrated by the consistency of higher germination and viability after water baths than after anaerobic digestion throughout this study.

The conclusions of this study are that higher temperatures and/or longer retention times reduce the viability of both seeds and vegetative plant parts. Dock seeds were more tolerant than yarrow seeds to higher temperatures, longer retention time and anaerobic digestion. Therefore, there is a potential of dock seeds to survive the anaerobic digestion at shorter retentions times and could be dispersed by spreading digestate in arable lands. Under normal retention time (15-30 days) the risk is low. Vegetative plant parts of yarrow showed higher viability than Japanese knotweed at 37°C. This difference decreased at higher temperatures (52°C) and at longer retention times. No differences were found between yarrow and Japanese knotweed vegetative plant parts following anaerobic digestion and the average viability was low. No difference in viability was found between yarrow seeds and plant parts following anaerobic digestion. No difference in viability was found between different plant parts of Japanese knotweed following water bath. The results indicate that the risk of spreading viable vegetative plant parts of yarrow and Japanese knotweed via digestate is low. Both germination and viability were more reduced by anaerobic digestion than by water baths under corresponding conditions. This suggests that water bath treatment is a more conservative method than anaerobic digestion.