Bakterier kan overlade fremtidens spildevandsrensning

Renseanlæg har et PR-problem:Folk kan ikke lide at tænke på, hvad der sker med det affald, de skyller ned i deres toiletter. Men for mange ingeniører og mikrobiologer, disse planter er et arnested for videnskabelige fremskridt, hvilket fik deres brancheorganisation til at foreslå en navneændring til "vandressourcegenvindingsanlæg."

Det er fordi spildevand fra vores dræn, toiletter, brusere og vaskemaskiner kan omdannes til værdifulde produkter ved hjælp af videnskabsmænd og unikke bakterier - hvoraf nogle kun blev opdaget tilfældigt så sent som i 1990'erne.

Disse efterkommere til forskningsscenen, kaldet anammox-bakterier, er genstand for en ny undersøgelse ledet af Daniel Noguera og Katherine McMahon, professorer i civil- og miljøteknik ved University of Wisconsin-Madison. Resultaterne af deres forskning blev offentliggjort i dag (31. maj, 2017) i bladet Naturkommunikation .

Bakteriens navn afspejler dens funktion:Den omdanner ammonium til nitrogengas under anaerobe (iltfri) forhold. Både forskere og rensningsanlægsoperatører er begejstrede for disse mikrober, fordi de har potentialet til at spare en masse penge.

"At være i stand til at fjerne ammonium anaerobt er ret vigtigt, fordi omkring 50 procent af et spildevandsanlægs driftsomkostninger er at pumpe ilt ud i vandet, Noguera siger. "Noget af denne ilt er nødvendig for at fjerne ammonium med den konventionelle metode."

Men anammox-bakterier løser ikke deres arbejde isoleret. De er en del af et fællesskab, kompleks som mikrobiomet i vores tarm, der nedbryder mad og holder os sunde på mange andre måder. Det er dette fællesskab, der var genstand for den nye undersøgelse.

"Vi vidste meget lidt om rollen af ​​de bakterier, der eksisterer side om side i anammox-granulat, " siger Noguera. "For første gang, vores undersøgelse identificerede detaljerede genekspressionsniveauer i disse granula. Dette giver vigtige fingerpeg om, hvad anammox-bakterierne og deres partnere rent faktisk gør, og hvordan de interagerer."

Disse partnere kaldes heterotrofer, da de er afhængige af anammox-bakterierne - som er primære producenter (eller autotrofer), som planter, der er i stand til fotosyntese - at omdanne atmosfærisk kuldioxid til organisk kulstof. Blandt de mest spændende resultater af den nye undersøgelse er hypoteser for udveksling af biokemisk materiale mellem disse to grupper af mikrober.

Heterotrofer modtager det organiske kulstof, de skal bruge for at vokse fra anammox-bakterierne i form af flere specifikke molekyler, opdagede forskerne i undersøgelsen. Til gengæld, heterotrofer omdanner nitrogen til en form, som anammox-bakterier kræver for vækst.

Et konventionelt spildevandsrensningsanlæg omdanner ammonium, som er giftig for fisk, til nitrogengas og nitrat. Nitrogengas frigives til atmosfæren, mens nitrat - et vigtigt plantenæringsstof - bliver i det behandlede vand. Reglerne om mængden af ​​nitrat, der må frigives, varierer fra stat til stat, men overskydende nitrat bidrager til algeopblomstring i naturlige vandområder, reducerer iltniveauet for vandorganismer.

En yderligere fordel ved anammox-bakterier, sammenlignet med konventionel spildevandsrensning, er, at de omdanner en større mængde ammonium til nitrogengas.

Behandlingsanlægsoperatører skal nu afveje fordelene ved disse nye mikrober i forhold til deres implementeringsudfordringer. Anammox-bakterier vokser meget langsomt, det tager omkring syv dage at fordoble i antal. Og de kræver nøje overvågede ilt- og temperaturcyklusser, øget operationel kompleksitet.

Men anammox-reaktorer er ikke den eneste mulighed for fremtidens renseanlæg til at udvinde værdifulde ressourcer fra spildevand. Faktisk, nogle anlæg producerer allerede mere energi, end de har brug for til at drive ud fra den biogas, der dannes under nedbrydningen af ​​organisk materiale.

"Ti år fra nu, det typiske renseanlæg vil sandsynligvis se ret anderledes ud end i dag, " siger Noguera. "Genvundne ressourcer kan ikke kun omfatte rent vand og energi, men også en række kemikalier, såsom gødning og forstadier til plast og fibre. Som en del af denne udvikling, Jeg tror på, at anammox-reaktorer snart vil blive konventionelle."