Die Abwasseraufbereitung mag eine unscheinbare Aufgabe sein, aber Bakterien erledigen sie gerne. Kläranlagen sind auf Bakterien angewiesen, um Umweltgifte aus Abfällen zu entfernen, sodass das aufbereitete Wasser sicher in Meere und Flüsse eingeleitet werden kann.
Nun könnte ein von Princeton-Forschern in einem Sumpf in New Jersey entdecktes Bakterium eine effizientere Methode zur Behandlung von Giftstoffen bieten, die in Abwässern, Düngemittelabflüssen und anderen Formen der Wasserverschmutzung vorkommen.
Das Bakterium Acidimicrobiaceae-Bakterium A6 ist in der Lage, Ammonium abzubauen, einen Schadstoff, der im Abwasser und Düngemittelabfluss vorkommt. Noch faszinierender ist, dass A6 diese chemische Umwandlung in Abwesenheit von Sauerstoff durchführen kann, eine Fähigkeit, die nützlich sein könnte, um alternative Methoden zu den kostspieligen, sauerstoffabhängigen Methoden bereitzustellen, die derzeit in der Abwasserbehandlung und anderen Prozessen eingesetzt werden.
„Maschinen, die Luft mit Abwasser mischen, um Sauerstoff für den Abbau von Ammonium bereitzustellen, verbrauchen viel Energie“, sagte Peter Jaffe , William L. Knapp '47-Professor für Bauingenieurwesen in Princeton und Professor am Andlinger Center for Energy in Princeton und die Umwelt. „A6 führt dieselbe Reaktion anaerob durch und könnte eine effizientere Methode zur Behandlung von Ammonium und eine Möglichkeit zur Behandlung anderer Umweltschadstoffe sein, die in sauerstoffarmen Gebieten, wie etwa unterirdischen Grundwasserleitern, vorkommen.“
Jaffe und sein Kollege Shan Huang, ein außerordentlicher Forschungswissenschaftler für Bau- und Umweltingenieurwesen in Princeton, berichteten am 11. April in der Zeitschrift PLOS ONE über die Entdeckung von A6 und seinen einzigartigen Fähigkeiten.
Die meisten Kläranlagen, die in Ozeane oder Flüsse einleiten, nutzen bereits Bakterien, um Ammonium aus Abfällen zu entfernen. Dazu muss jedoch viel Luft in den Schlamm eingewirbelt werden, um den Bakterien Sauerstoff zuzuführen. Die Bakterien nutzen den Sauerstoff in einer chemischen Reaktion, die Ammonium in Nitrit umwandelt, und andere Bakterien wandeln das Nitrit dann in harmloses Stickstoffgas um.
Die Entfernung von Ammonium ist wichtig, um den Sauerstoffmangel in Bächen und die Eutrophierung zu verhindern, also das Wachstum übermäßiger Algen und anderer Pflanzen, das durch Stickstoffverbindungen aus Abwässern und landwirtschaftlichen Abwässern ausgelöst wird.
Ein alternativer chemischer Prozess zum Abbau von Ammonium, bekannt als Feammox, findet in sauren, eisenreichen Feuchtgebietsumgebungen und Böden statt und findet nachweislich in Uferfeuchtgebietsböden in New Jersey und in tropischen Regenwaldböden in Puerto Rico statt Feuchtgebietsböden in South Carolina und an verschiedenen Wald- und Feuchtgebieten in Südchina. Es war jedoch nicht klar, was die Feammox-Reaktion ermöglichte.
Jaffe und Huang hatten im Jahr 2015 die Vermutung, dass ein einzelnes Bakterium hinter dem Prozess stecken könnte, als sie Proben aus dem Assunpink-Feuchtgebiet in der Nähe von Trenton, New Jersey, untersuchten. In einer damaligen Studie fanden Jaffe und seine Kollegen heraus, dass die Feammox-Reaktion in den Sumpfproben nur dann stattfand, wenn eine Bakterienklasse namens Actinobacteria vorhanden war. Unter diesen Bakterien identifizierten die Forscher eine bestimmte Bakterienart, die sie Acidimicrobiaceae-Bakterium A6 nannten und von der sie vermuteten, dass sie eine Schlüsselrolle bei der Feammox-Reaktion spielte. Sie hatten die Vermutung, dass A6 das Ammonium in Nitrit umwandelte und gewöhnliche Bakterien für die Umwandlung von Nitrit in Stickstoffgas verantwortlich waren.
Die Isolierung des Bakteriums und die endgültige Bestätigung seiner Rolle erforderten jedoch jahrelange sorgfältige Forschung. In ihrer neuen Studie vermischte das Princeton-Team Bodenproben aus dem Feuchtgebiet von New Jersey mit Wasser und einem Material, das Eisenoxid und Ammonium enthielt, und ließ die Mischung fast ein Jahr lang in Fläschchen inkubieren.
Das Mischen der Bodenproben und des Metallmediums in den Fläschchen erfolgte in einer sauerstofffreien Kammer und die Fläschchen wurden luftdicht verschlossen, um die anaeroben Bedingungen des Feuchtbodens nachzuahmen, aus dem die Bakterien stammten.
Etwa alle zwei Wochen im Laufe des Jahres entnahmen die Wissenschaftler jeweils eine kleine Probe aus den Fläschchen, um zu sehen, ob Eisenoxid und Ammonium abgebaut wurden. Als sie eine Probe entdeckten, in der diese Reaktion stattfand, verwendeten sie genetische Sequenzierung, um die vorhandene Bakterienart zu identifizieren – und stellten definitiv fest, dass A6 die Feammox-Reaktion ausführte.
„Seit wir herausgefunden haben, dass die Reaktion im Feuchtgebiet hier in New Jersey stattfand, haben wir vermutet, dass ein Bakterium die Hauptarbeit leistete“, sagt Jaffe. „Diese Studie bestätigte, dass A6 über diese Fähigkeit verfügt und ist damit die erste bekannte Spezies, von der bekannt ist, dass sie die Feammox-Reaktion ausführt.“
Das Princeton-Team untersucht den Bau eines Reaktors, in dem A6 zur Verarbeitung von Ammonium im industriellen Maßstab eingesetzt werden könnte. Eine Herausforderung besteht darin, dass die Bakterien für die Durchführung des Prozesses viel Eisen verbrauchen, was ihn als Ersatz für die Belüftung zu kostspielig machen würde. Um dieses Problem zu umgehen, experimentieren die Forscher damit, ein kleines elektrisches Potential zwischen zwei Elektroden anzulegen, die in die Flüssigkeit des Reaktors eingeführt werden, und zwar in einem Gerät, das sie als „mikrobielle Elektrolysezelle“ bezeichnen. Die Elektroden können dann die Rolle übernehmen, die Eisen bei der Feammox-Reaktion einnahm.
Das Princeton-Team arbeitet mit dem chinesischen Umweltministerium an der Entwicklung eines Prototypreaktors zur Reduzierung von Ammonium und Schwermetallen im Abwasser. Sie untersuchen, ob die Technologie dazu beitragen könnte, der Eutrophierung entgegenzuwirken, bei der übermäßige Nährstoffe im Abfluss Flüsse, Seen und Küsten schädigen.
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass das Bakterium A6 neben der Oxidation von Ammonium auch in der Lage ist, gleichzeitig Trichlorethylen und Tetrachlorethylen zu entfernen, zwei schwer zu behandelnde Schadstoffe, die häufig an verschmutzten Standorten vorkommen. Das Bakterium sollte Elektronen auch auf andere Verbindungen als Eisen wie Uran und Kupfer übertragen. Im Fall von Uran geht es darum, es in eine Form umzuwandeln, die nicht in Wasser löslich ist.
„Da A6 keinen Sauerstoff benötigt, könnte es an Orten überleben, an denen andere Bakterien möglicherweise nicht überleben, beispielsweise in kontaminiertem Grundwasser“, sagt Jaffe. „Kombiniert man das mit seiner Vielseitigkeit bei der Beseitigung verschiedener Schadstoffe, könnte es zu einem sehr wichtigen Instrument zur Bewältigung einer Reihe von Umweltproblemen werden.“
Die Unterstützung für das Projekt wurde teilweise von der National Science Foundation und dem Project X Fund von Princeton bereitgestellt, einem Fonds zur Unterstützung unkonventioneller Forschung.
„Die Finanzierung durch Projekt