Afvalwaterzuiveringsinstallaties hebben een PR-probleem:mensen denken niet graag na over wat er gebeurt met het afval dat ze door hun toilet spoelen. Maar voor veel ingenieurs en microbiologen deze planten zijn een broeinest van wetenschappelijke vooruitgang, hun handelsorganisatie ertoe aanzetten om een ​​naamsverandering voor te stellen in "faciliteit voor het terugwinnen van waterbronnen".

Dat komt omdat afvalwater uit onze gootstenen, Toiletten, douches en wasmachines kunnen worden omgezet in waardevolle producten met de hulp van wetenschappers en unieke bacteriën - waarvan sommige pas in de jaren negentig bij toeval werden ontdekt.

Deze laatkomers in de onderzoekswereld, anammoxbacteriën genoemd, zijn het onderwerp van een nieuwe studie onder leiding van Daniel Noguera en Katherine McMahon, hoogleraren civiele en milieutechniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. De resultaten van hun onderzoek zijn vandaag (31 mei, 2017) in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De naam van de bacterie weerspiegelt zijn functie:het zet ammonium om in stikstofgas onder anaërobe (zuurstofvrije) omstandigheden. Zowel onderzoekers als exploitanten van zuiveringsinstallaties zijn enthousiast over deze microben omdat ze het potentieel hebben om veel geld te besparen.

"Het anaëroob kunnen verwijderen van ammonium is behoorlijk belangrijk omdat ongeveer 50 procent van de bedrijfskosten van een rioolwaterzuiveringsinstallatie zuurstof in het water pompt, " zegt Noguera. "Een deel van deze zuurstof is nodig om ammonium met de conventionele methode te verwijderen."

Maar anammoxbacteriën doen hun werk niet alleen. Ze maken deel uit van een gemeenschap, complex zoals het microbioom in onze darm dat voedsel afbreekt en ons op veel andere manieren gezond houdt. Het is deze gemeenschap die het onderwerp was van de nieuwe studie.

"We wisten heel weinig over de rol van de bacteriën die naast elkaar bestaan ​​in anammoxkorrels, " zegt Noguera. "Voor de eerste keer, onze studie identificeerde gedetailleerde genexpressieniveaus in deze korrels. Dit geeft belangrijke aanwijzingen over wat de anammox-bacteriën en hun partners eigenlijk zouden kunnen doen, en hoe ze met elkaar omgaan."

Deze partners worden heterotrofen genoemd, omdat ze afhankelijk zijn van de anammox-bacteriën - die primaire producenten (of autotrofen) zijn, zoals planten die in staat zijn tot fotosynthese - om atmosferische koolstofdioxide om te zetten in organische koolstof. Een van de meest intrigerende resultaten van de nieuwe studie zijn hypothesen voor de uitwisseling van biochemisch materiaal tussen deze twee groepen microben.

De heterotrofen krijgen de organische koolstof die ze nodig hebben om te groeien van de anammox-bacteriën in de vorm van verschillende specifieke moleculen, ontdekten de onderzoekers in het onderzoek. In ruil, de heterotrofen zetten stikstof om in een vorm die anammoxbacteriën nodig hebben voor groei.

Een conventionele afvalwaterzuiveringsinstallatie zet ammonium, die giftig is voor vissen, omgezet in stikstofgas en nitraat. Stikstofgas komt in de atmosfeer terecht, terwijl nitraat - een belangrijke voedingsstof voor planten - in het behandelde water blijft. Regelgeving over de hoeveelheid nitraat die vrij kan komen verschilt per staat, maar overtollig nitraat draagt ​​bij aan algenbloei in natuurlijke wateren, uitputtende zuurstofniveaus voor in het water levende organismen.

Een bijkomend voordeel van anammox bacteriën, in vergelijking met conventionele afvalwaterzuivering, is dat ze een grotere hoeveelheid ammonium omzetten in stikstofgas.

Exploitanten van zuiveringsinstallaties moeten nu de voordelen van deze nieuwe microben afwegen tegen hun implementatie-uitdagingen. Anammox-bacteriën groeien heel langzaam, het duurt ongeveer zeven dagen om in aantal te verdubbelen. En ze hebben nauw gecontroleerde zuurstof- en temperatuurcycli nodig, toenemende operationele complexiteit.

Maar anammoxreactoren zijn niet de enige optie voor de zuiveringsinstallatie van de toekomst om waardevolle hulpbronnen uit afvalwater te halen. In feite, sommige installaties produceren al meer energie dan ze nodig hebben om te werken uit het biogas dat ontstaat bij de afbraak van organisch materiaal.

"Over tien jaar, de typische zuiveringsinstallatie zal er waarschijnlijk heel anders uitzien dan vandaag, ", zegt Noguera. "Teruggewonnen hulpbronnen omvatten mogelijk niet alleen schoon water en energie, maar ook een verscheidenheid aan chemicaliën, zoals meststoffen en voorlopers van kunststoffen en vezels. Als onderdeel van deze evolutie, Ik denk dat anammox-reactoren binnenkort conventioneel zullen worden."