Analyses of microbial community in nutrient solution with biofertilizer and risk assessment of establishment of pathogens

Abstract

The societal interest for a more sustainable and circular food production is increasing. Hydroponic farming is an alternative way of growing vegetables that can bring farming into urban environments, reducing long transports of food. In parallel, the focus in waste treatment is being more directed toward resource recovery. Food waste is used as a resource for biogas production, producing a liquid residue that is rich in the nutrients needed for cultivation of crops
that can be certified for use as a biofertilizer. The application of this biofertilizer in hydroponic cultivation systems could pave way for a circular urban food production. Striving for this, the project “Food waste to new food in an urban context - production, risk assessment and consumer acceptance”, that is a collaboration between SLU (Swedish University of Agricultural Sciences) in Alnarp and Ulltuna (Uppsala) and Lund University, led by SLU. The project´s overall scope is to investigate the possibilities of hydroponic cultivation of different
vegetables such as pak choi with a biofertilizer produced from anaerobically digested food waste (a residue from biogas production) as a nutrient source, replacing the customary inorganic fertilizer. Since the biofertilizer in hydroponic setups is in direct contact with the crops, ensuring microbiological safety of the biofertilizer in a food safety perspective is paramount. This master thesis project aims to perform an in-depth microbiological risk assessment of the biofertilizer,
utilizing 16S rRNA gene amplicon sequencing of samples collected from greenhouse
experiments of hydroponic setups with the biofertilizer. Additional investigations of the microbial community was performed utilizing MALDI-TOF MS and calorimetry. As a simulation of a contamination, challenge tests of the biofertilizer with the food-borne pathogens Bacillus cereus, Salmonella enterica and Listeria monocytogenes was performed to investigate their establishment in the biofertilizer. The 16S rRNA gene amplicon sequencing showed that
Mycobacterium is the most abundant genus of bacteria in the biofertilizer used in the greenhouse experiments. The challenge testing experiments revealed that low levels of Bacillus cereus (~10 CFU/ml) is naturally present in the biofertilizer. The inoculation of 10^5 CFU/ml of the three food-borne pathogens resulted in S. enterica and L. monocytogenes no longer being detectable in the biofertilizer with selective plating after 48 hours of incubation, and four log10 reductions of B. cereus within 24 hours of incubation. Additionally, results from the investigation of the biofertilizer using calorimetry indicate that the biofertilizer does not seem to support microbial proliferation without the addition of substrates containing a carbon source.

Popular Abstract (Swedish)

Mikrobiologisk analys och riskbedömning av biogödsel som näringskälla i hydroponisk odling

Jordens ökande befolkning kräver också en ökande produktion av livsmedel. Ett hållbart och innovativt sätt för ökad livsmedelsproduktion är att använda sig av hydroponisk odlingsteknik, där grödans rötter placeras direkt i en flytande näringslösning istället för jord, vilket kräver mindre yta och möjliggör urban odling. Parallellt med detta så ökar intresset för resursutnyttjning och återvinning. Biogödsel framställt ur matavfall kan fungera som en näringskälla för hydroponisk odling, men frågan återstår: är det säkert att använda denna återvunna produkt för livsmedelsproduktion? För att besvara detta har den mikrobiologiska floran av biogödsel undersökts.

För att tillgodose behovet av livsmedel krävs nya och effektiva typer av jordbruk. Hydroponisk odlingsteknik har många fördelar i att det kräver avsevärt mindre vattenförbrukning än traditionellt jordbruk, det är mer platseffektivt och kan utnyttja urbana ytor, och långa transportsträckor av maten från jordbrukare in till städerna kan undvikas. Användningen av en återvunnen näringskälla är intressant ur ett hållbarhetsperspektiv, men gällande livsmedelsproduktion är den
mikrobiologiska säkerheten avgörande. För att undersöka detta har den mikrobiologiska floran av ett biogödsel undersökts, både genom kartläggning av den naturliga mikrofloran i biogödseln under en hydroponisk odling, och även genom att
iscensätta en kontaminering av biogödseln genom att tillsätta tre olika patogener; de sjukdomsalstrande bakterierna Bacillus cereus, Salmonella enterica och Listeria monocytogenes (vilkas förekomst i livsmedel kan orsaka magsjuka), för att undersöka
hur de överlever och etablerar sig i biogödseln.

Det visade sig att ingen av de tillsatta bakterierna B. cereus, S. enterica och L. monocytogenes kunde varken etablera sig eller överleva i biogödseln i skadliga nivåer, vilket bådar gott för biogödselns användning för livsmedelsproduktion. I en förstudie av biogödselns naturliga mikroflora visade det sig att den innehöll en stor mängd och rik variation av mikroorganismer, men att dessa överraskande nog behövde ytterligare näring för att kunna vara aktiva och växa. Detta kan vara en förklaring till att patogenerna inte kunde etablera sig och överleva i biogödseln.
Den naturliga mikrobiologiska floran i biogödseln undersöktes bland annat med 16S-rRNA sekvensering, som är ett sätt att kartlägga den bakteriella kompositionen i ett prov. Det visade sig med denna metod att det mest förekommande släktet bakterier i biogödseln som använts för hydroponisk odling är Mycobacterium. Fastän de flesta bakterier inom detta släkte är relativt ofarliga bakterier som finns i jord och vatten, så ingår två bakterier som orsakar tuberkulos och spetälska i detta släkte. För att säkerställa säkerheten av att använda denna biogödsel för livsmedelsproduktion skulle det vara önskvärt att vidare undersöka vilka arter av Mycobacterium som finns i biogödseln.

Genom resultatet att det krävs en ytterligare extern näringskälla för att tillåta mikrobiologisk tillväxt i biogödseln verkar det säkert att bruka den för livsmedelsproduktion. Icke desto mindre vore en ytterligare undersökning av precis
vilka faktorer i biogödseln som saknas eller förhindrar mikrobiologisk tillväxt av intresse för att ytterligare kunna försäkra dess säkerhet, exempelvis skulle det också vara intressant att undersöka om tillsatsen av grödans rötter förändrar
näringstillgängligheten för mikroorganismer.

Detta examensarbete har varit det första av sitt slag som inkluderat hela kedjan av biogödsel för hydroponisk odling, från tillverkning till tillämpning, i sin analys av den mikrobiologiska naturliga floran, och har därmed genererat många värdefulla insikter som kan ligga till stöd för att motivera dess användning till hydroponisk livsmedelsproduktion.

• author: Södergren, Julia
• supervisor: Jenny Schelin
• organization: Applied Microbiology
• alternative title: Analyser av mikrobiell sammansättning i näringslösning med biogödsel och riskbedömning av etablering av patogener
• course: KMBM05 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Agriculture and Food Sciences; Technology and Engineering
• keywords: Biofertilizer, hydroponic, 16S rRNa sequencing, challenge testing, calorimetry, applied microbiology, teknisk mikrobiologi
• language: English
• id: 9019382
• date added to LUP: 2020-06-18 13:17:35
• date last changed: 2020-06-18 13:17:35