Sumpmikro har forureningskrævende kraft

Spildevandsrensning kan være et uglamorøst job, men bakterier gør det gerne. Spildevandsanlæg er afhængige af bakterier for at fjerne miljøgifter fra affald, så det forarbejdede vand sikkert kan udledes i oceaner og floder.

Nu, en bakterie opdaget af Princeton -forskere i en sump i New Jersey kan tilbyde en mere effektiv metode til behandling af toksiner, der findes i spildevand, gødningsafstrømning og andre former for vandforurening.

Bakterien, Acidimicrobiaceae bakterie A6, er i stand til at nedbryde ammonium, et forurenende stof fundet i spildevand og gødningsafstrømning. Endnu mere spændende er, at A6 kan udføre denne kemiske omdannelse i fravær af ilt, en evne, der kan være nyttig til at tilvejebringe alternative metoder til dyre iltafhængige metoder, der i øjeblikket bruges til spildevandsrensning og andre processer.

"Meget energi bruges af maskiner, der blander luft i spildevand for at levere ilt til nedbrydning af ammonium, "sagde Peter Jaffe, William L. Knapp '47 professor i civilingeniør i Princeton og professor ved Princetons Andlinger Center for Energy and Miljø. "A6 udfører den samme reaktion anaerobt og kan præsentere en mere effektiv metode til behandling af ammonium og en måde at behandle andre miljøforurenende stoffer, der findes i iltfattige områder, såsom underjordiske vandførere. "

Jaffe og hans kollega Shan Huang, en associeret forsker i civil- og miljøteknik ved Princeton, rapporterede opdagelsen af ​​A6 og dens unikke evner den 11. april i journalen PLOS ONE .

De fleste kloakanlæg, der udledes til oceaner eller floder, bruger allerede bakterier til at fjerne ammonium fra affald, men det kræver, at der vædes masser af luft ind i slammet for at fodre bakterierne med ilt. Bakterierne bruger oxygenet i en kemisk reaktion, der gør ammonium til nitrit og derefter omdanner andre bakterier nitrit til harmløs nitrogengas.

Fjernelse af ammonium er vigtigt for at forhindre nedbrydning af ilt i vandløb og for at forhindre eutrofiering, væksten af ​​overdrevne alger og andre planter udløst af nitrogenforbindelser fra spildevand og landbrugsafstrømning.

En alternativ kemisk proces til nedbrydning af ammonium, kendt som Feammox, forekommer surt, jern-rige, vådområder og jordbund, og har vist sig at finde sted i flodjordbund i New Jersey, i tropiske regnskovsjord i Puerto Rico, i vådområder i South Carolina, og på forskellige skov- og vådområder i det sydlige Kina. Det var ikke klart, imidlertid, hvad der muliggjorde Feammox -reaktionen.

Jaffe og Huang havde en anelse om, at en enkelt bakterie kunne være roden i processen i 2015, da han undersøgte prøver taget fra Assunpink vådområde nær Trenton, New Jersey. I en undersøgelse på det tidspunkt, Jaffe og hans kolleger fandt ud af, at Feammox -reaktionen kun fandt sted i sumpprøverne, da en klasse af bakterier kendt som Actinobacteria var til stede. Blandt disse bakterier er forskerne identificerede en bestemt bakterieart, som de kaldte Acidimicrobiaceae bakterie A6, og som de havde mistanke om, spillede en central rolle i Feammox -reaktionen. De havde en anelse om, at A6 konverterede ammonium til nitrit, og almindelige bakterier håndterede omdannelsen af ​​nitrit til nitrogengas.

Imidlertid, isolering af bakterien og endegyldig bekræftelse af dens rolle tog mange års omhyggelig forskning. I deres nye undersøgelse, Princeton -teamet blandede jordprøver indsamlet fra vådområdet i New Jersey med vand og et materiale indeholdende jernoxid og ammonium og lod blandingen inkubere i hætteglas i næsten et år.

Blanding af jordprøverne og metalmediet i hætteglassene blev udført i et iltfrit kammer, og hætteglassene blev forseglet lufttætte for at efterligne de anaerobe forhold i vådområdet, hvorfra bakterierne stammer.

Cirka hver anden uge i løbet af året, forskerne fjernede en lille prøve fra hvert af hætteglassene for at se, om jernoxid og ammonium blev nedbrudt. Da de opdagede en prøve, hvor denne reaktion fandt sted, de brugte genetisk sekventering til at identificere de tilstedeværende bakterier - og fandt endegyldigt ud af, at A6 udførte Feammox -reaktionen.

"Lige siden vi fandt ud af, at reaktionen fandt sted i vådområdet her i New Jersey, vi har mistanke om, at en bakterie gjorde de tunge løft, "Jaffe siger." Denne undersøgelse bekræftede, at A6 har denne evne, gør den til den første kendte art, der udfører Feammox -reaktionen. "

Princeton -teamet undersøger, hvordan man bygger en reaktor, hvor A6 kan bruges til at behandle ammonium i industrielle skalaer. En udfordring er, at bakterierne forbruger meget jern for at udføre processen, hvilket ville gøre det for dyrt som metode til udskiftning af luftning. For at komme uden om dette problem, forskerne eksperimenterer med at anvende et lille elektrisk potentiale mellem to elektroder indsat i reaktorens væske i en enhed, de kaldte en "mikrobiel elektrolysecelle". Elektroderne kan derefter indtage den rolle, som jern indtog i Feammox -reaktionen.

Princeton -teamet arbejder sammen med det kinesiske miljøministerium for at udvikle en prototype reaktor til reduktion af ammonium og tungmetaller i spildevand. De undersøger, om teknologien kan hjælpe med at modvirke eutrofiering, hvor overdrevne næringsstoffer i afstrømning skader floder, søer og kystlinjer.

Forskerne fandt også, at mens man oxiderer ammonium, A6 -bakterien er også i stand til samtidigt at fjerne trichlorethylen og tetrachlorethylen, to svært at behandle forurenende stoffer, der ofte findes på forurenede steder. Bakterien skulle også overføre elektroner til andre forbindelser end jern såsom uran og kobber. For uran, omdanne den til en form, der ikke er opløselig i vand.

"Fordi det ikke kræver ilt, A6 kunne overleve på steder, som andre bakterier måske ikke gør, såsom i forurenet grundvand, "Jaffe siger." Kombiner det med sin alsidighed i at afhjælpe forskellige forurenende stoffer, og det kan blive et meget vigtigt værktøj til at løse en række miljøproblemer. "