Op een regenachtige zaterdag in oktober, afgestudeerde studenten Arianna Sherman en Weitao Shuai parkeerden hun auto bij een brug op een landelijke weg in Hillsborough, Noord Carolina. In rubberen laarzen, ze waadden in een modderige stroom om te onderzoeken hoe landbouwafval en een gigantische storm een ​​ecosysteem kunnen hebben verstoord.

Sherman en Shuai, beide leden van Peter Jaffe's onderzoeksgroep in civiele en milieutechniek, was gekomen om de nutriëntenkringloop en vervuiling langs de rivier de Neuse te onderzoeken in de nasleep van de orkaan Florence, een septemberstorm die het oosten van Noord-Carolina doordrenkte met meer dan 20 centimeter regen en leidde tot bijna-record overstromingen langs de rivier. Sherman en Jaffe hadden onlangs een tweejarige studie afgerond over de Neuse, maar breidden hun project uit om de effecten van de orkaan te onderzoeken.

Een groot deel van de Neuse is omzoomd met varkensboerderijen, en terwijl een deel van het afval van de dieren wordt behandeld en gebruikt als meststof, veel overtollige voedingsstoffen uit de openluchtbekkens van de boerderijen spoelen in de rivier. Deze overbelasting van op stikstof gebaseerde voedingsstoffen kan leiden tot schadelijke algenbloei die de waterkwaliteit bedreigen en het ecosysteem verstoren.

"Als je al deze overstromingen hebt, de afvalbassins met de stikstof worden gespoeld, en ze komen allemaal stroomafwaarts, " zei Sherman. "We wisten dat het even zou duren voordat de boeren hun activiteiten weer online zouden krijgen" na de storm, voegde ze eraan toe. "Met deze uitspoeling van stikstof die uit de beerputten komt en daarna een tijdlang geen stikstofbelading meer, we wilden zien hoe het systeem zou reageren."

Werkend door een kleinere regenbui een maand na de orkaan, de twee studenten vulden reageerbuizen met water en duwden een lange metalen buis 30 centimeter in de modder om aarde op te vangen. Terug in hun lab in Princeton, Sherman onderzoekt de monsters om een ​​chemisch proces, Feammox genaamd, te begrijpen. die het team van Jaffe voor het eerst ontdekte in een wetland in New Jersey in 2004. Jaffe en anderen erkennen Feammox nu als een potentiële doorbraak in het elimineren van stikstofverontreinigende stoffen.

In de Feammox-reactie, bepaalde bacteriën kunnen ammonium afbreken (oxideren), een belangrijke op stikstof gebaseerde component van varkensafval. Deze reactie is een belangrijke vroege stap bij het omzetten van stikstofverontreinigende stoffen in onschadelijk stikstofgas. Kritisch, Feammox-bacteriën voeren de reactie uit in afwezigheid van zuurstof. Terwijl afvalwaterzuiveringsinstallaties meestal veel energie verbruiken door lucht in het afvalwater te dwingen om het opruimen te vergemakkelijken, Feammox heeft de potentie om verontreinigingen in bodem en grondwater waar weinig zuurstof beschikbaar is te saneren.

De bodems van de rivier de Neuse zijn zuur en ijzerrijk, ideale omstandigheden bieden voor het Feammox-proces, zei Jaffe, de William L. Knapp '47 hoogleraar civiele techniek en associate director voor onderzoek bij Princeton's Andlinger Centre for Energy and the Environment. Feammox vereist periodieke aanvulling met geoxideerd ijzer, of natuurlijke roest, die een overgebleven elektron absorbeert tijdens het Feammox-proces in een stap die bekend staat als reductie. "Het is mogelijk dat een grote stormgebeurtenis vers ijzer blootlegt, dus we wilden onderzoeken of het proces verjongd wordt door overstromingen." Orkaan Florence bood "een unieke kans om dat te onderzoeken, ' zei Jaffe.

Sherman en Shuai verzamelden bodem- en watermonsters op zes locaties langs de Neuse en zijn zijrivieren, inclusief een gebied stroomopwaarts van de varkensboerderijen om de niveaus van verontreinigende stoffen en chemische processen te bestuderen die plaatsvinden voorafgaand aan zware verontreiniging. Sherman analyseert het Feammox-proces van elke locatie door de concentraties van ammonium en andere stikstofhoudende verbindingen te meten, evenals niveaus van verschillende ijzervormen.

Sequentiebepaling van DNA dat uit de bodem is geëxtraheerd, zal onthullen welke soorten bacteriën aanwezig zijn; het eerdere werk van het laboratorium heeft aangetoond dat een stam in de familie Acidimicrobiaceae verantwoordelijk is voor de Feammox-reactie. Om inzicht te krijgen in de effecten van overstromingen, de onderzoekers zullen monsters van na de orkaan vergelijken met monsters die vier maanden eerder zijn verzameld onder meer typische omstandigheden.

Sherman test of Feammox-bacteriën uit de Neuse kunnen, naast het modificeren van ijzer, chemische reductie van een vorm van selenium die vaak landbouwgebieden vervuilt. Selenium is een essentieel mineraal dat wordt toegevoegd als aanvulling op diervoeders. Overtollig selenium spoelt in aquatische ecosystemen, waar het toxische niveaus kan bereiken. Het Feammox-proces kan seleniumverbindingen mogelijk omzetten in vormen die veel minder mobiel zijn in het milieu.

"Onze benadering is om heel fundamenteel naar een proces te kijken in gecontroleerde laboratoriumomstandigheden, en dan kijken of we naar het veld kunnen gaan om het te meten, "zei Jaffe. "Zo gaan we van het lab naar het veld, en uiteindelijk naar de waterscheiding."

Terwijl ze grond- en watermonsters verzamelden, Sherman en Shuai lieten ook iets achter:ze staken op elke bemonsteringsplaats kleine elektroden in de grond. In werk gepubliceerd in het decembernummer van 2018 Toegepaste en milieumicrobiologie , Jaffe's team ontdekte dat Feammox-bacteriën dergelijke elektroden kunnen koloniseren, met de positieve kant, of anode, vervangen door geoxideerde ijzerverbindingen. Als de organismen in de Neuse Feammox ook op elektroden kunnen uitvoeren, dit zal het vooruitzicht om bacteriën te gebruiken om stikstofvervuiling op te ruimen verder vergroten zonder dat ijzerbronnen nodig zijn.

De onderzoekers zijn onlangs teruggekomen om de elektroden op te halen, en ben van plan om deze lente elke site opnieuw te bemonsteren. Hun doorlopende analyses zullen de langetermijneffecten van de orkaan op de vervuiling en het microbiële leven langs de Neuse laten zien, terwijl manieren worden onthuld om dergelijke kritieke ecosystemen op te ruimen.