Rioolzuivering kan een onaantrekkelijke klus zijn, maar bacteriën doen het graag. Rioolwaterzuiveringsinstallaties zijn afhankelijk van bacteriën om milieutoxines uit afval te verwijderen, zodat het verwerkte water veilig in oceanen en rivieren kan worden geloosd.

Nutsvoorzieningen, een bacterie die door Princeton-onderzoekers in een moeras van New Jersey is ontdekt, biedt mogelijk een efficiëntere methode voor de behandeling van gifstoffen die in rioolwater worden aangetroffen, mestafvoer en andere vormen van watervervuiling.

De bacterie, Acidimicrobiaceae bacterie A6, is in staat om ammonium af te breken, een verontreinigende stof die wordt aangetroffen in afvalwater en afvloeiing van kunstmest. Nog intrigerender is dat A6 deze chemische omzetting kan uitvoeren in afwezigheid van zuurstof, een vermogen dat nuttig zou kunnen zijn voor het verschaffen van alternatieve methoden voor kostbare zuurstofafhankelijke methoden die momenteel worden gebruikt in rioolwaterzuivering en andere processen.

"Er wordt veel energie gebruikt door machines die lucht mengen met afvalwater om zuurstof te leveren voor de afbraak van ammonium, " zei Peter Jaffe, de William L. Knapp '47 hoogleraar civiele techniek aan Princeton en een professor aan Princeton's Andlinger Centre for Energy and the Environment. "A6 voert dezelfde reactie anaëroob uit en biedt mogelijk een efficiëntere methode voor de behandeling van ammonium en een manier om andere milieuverontreinigende stoffen te behandelen die worden aangetroffen in zuurstofarme gebieden, zoals ondergrondse watervoerende lagen."

Jaffe en zijn collega Shan Huang, een geassocieerd onderzoeker in civiele en milieutechniek aan Princeton, meldde de ontdekking van A6 en zijn unieke mogelijkheden op 11 april in het tijdschrift PLOS EEN .

De meeste rioolinstallaties die lozen in oceanen of rivieren gebruiken al bacteriën om ammonium uit afval te verwijderen, maar om dit te doen, moet er veel lucht in het slib worden gekarnd om de bacteriën zuurstof te geven. De bacteriën gebruiken de zuurstof in een chemische reactie die ammonium omzet in nitriet en vervolgens zetten andere bacteriën het nitriet om in onschadelijk stikstofgas.

Het verwijderen van ammonium is belangrijk om uitputting van zuurstof in stromen te voorkomen en om eutrofiëring te voorkomen, de groei van overmatige algen en andere planten veroorzaakt door stikstofverbindingen uit rioolwater en landbouwafval.

Een alternatief chemisch proces voor het afbreken van ammonium, bekend als Femmox, komt voor in zuur, ijzerrijk, waterrijke omgevingen en bodems, en is gevonden in de oeverstaten van wetland in New Jersey, in tropische regenwouden in Puerto Rico, in waterrijke bodems in South Carolina, en op verschillende beboste en waterrijke locaties in Zuid-China. Het was niet duidelijk, echter, wat de Feammox-reactie mogelijk maakte.

Jaffe en Huang hadden het vermoeden dat een enkele bacterie in 2015 aan de basis van het proces zou kunnen liggen toen ze monsters bestudeerden die waren genomen uit het Assunpink-wetland bij Trenton, New Jersey. In een studie uit die tijd Jaffe en zijn collega's ontdekten dat de Feammox-reactie alleen plaatsvond in de moerasmonsters als er een klasse bacteriën aanwezig was die bekend staat als Actinobacteria. Onder deze bacteriën de onderzoekers identificeerden een specifieke bacteriesoort die ze noemden Acidimicrobiaceae bacterie A6 en waarvan ze vermoedden dat het een sleutelrol speelde in de Feammox-reactie. Ze hadden het vermoeden dat A6 het ammonium in nitriet omzet en dat gewone bacteriën de omzetting van nitriet in stikstofgas afhandelen.

Echter, het isoleren van de bacterie en het definitief bevestigen van zijn rol vergde jarenlang nauwgezet onderzoek. In hun nieuwe studie het Princeton-team mengde grondmonsters die waren verzameld uit het wetland van New Jersey met water en een materiaal dat ijzeroxide en ammonium bevatte en liet het mengsel bijna een jaar in flacons incuberen.

Het mengen van de grondmonsters en het metaalmedium in de flesjes gebeurde in een zuurstofvrije kamer en de flesjes werden luchtdicht afgesloten om de anaërobe omstandigheden na te bootsen van de wetlandgrond waaruit de bacteriën voortkwamen.

Ongeveer elke twee weken in de loop van het jaar, de wetenschappers verwijderden een klein monster uit elk van de flesjes om te zien of het ijzeroxide en ammonium werden afgebroken. Toen ze een monster ontdekten waar deze reactie plaatsvond, ze gebruikten genetische sequencing om de aanwezige bacteriesoorten te identificeren - en ontdekten definitief dat A6 de Feammox-reactie uitvoerde.

"Sinds we ontdekten dat de reactie plaatsvond in het wetland hier in New Jersey, we vermoedden dat een bacterie het zware werk deed, " zegt Jaffe. "Deze studie bevestigde dat A6 dit vermogen heeft, waardoor het de eerste bekende soort is waarvan bekend is dat ze de Feammox-reactie uitvoert."

Het Princeton-team onderzoekt hoe een reactor kan worden gebouwd waarin A6 kan worden gebruikt om ammonium op industriële schaal te verwerken. Een uitdaging is dat de bacteriën veel ijzer verbruiken om het proces uit te voeren, wat het te duur zou maken als methode om beluchting te vervangen. Om dit probleem te omzeilen, de onderzoekers experimenteren met het toepassen van een klein elektrisch potentiaal tussen twee elektroden die in de vloeistof van de reactor zijn ingebracht in een apparaat dat ze een 'microbiële elektrolysecel' noemden. De elektroden kunnen dan de rol spelen die ijzer in de Feammox-reactie op zich nam.

Het Princeton-team werkt samen met het Chinese ministerie van Milieu aan de ontwikkeling van een prototypereactor om ammonium en zware metalen in afvalwater te verminderen. Ze onderzoeken of de technologie kan helpen eutrofiëring tegen te gaan, waar overmatige voedingsstoffen in de afvoer rivieren beschadigen, meren en kusten.

De onderzoekers ontdekten ook dat tijdens het oxideren van ammonium, de A6-bacterie is ook in staat om gelijktijdig trichloorethyleen en tetrachloorethyleen te verwijderen, twee moeilijk te behandelen verontreinigende stoffen die vaak op vervuilde locaties worden aangetroffen. De bacterie moest ook elektronen overdragen aan andere verbindingen dan ijzer, zoals uranium en koper. In het geval van uranium, transformeren in een vorm die niet oplosbaar is in water.

"Omdat het geen zuurstof nodig heeft, A6 zou kunnen overleven op plaatsen waar andere bacteriën niet zouden kunnen overleven, zoals in verontreinigd grondwater, "Zegt Jaffe. "Combineer dat met zijn veelzijdigheid in het saneren van verschillende verontreinigende stoffen en het zou een zeer belangrijk hulpmiddel kunnen worden voor het aanpakken van een reeks milieuproblemen."