Forskere sporer orkaners virkninger på flodforurening og gavnlige bakterier

På en regnfuld lørdag i oktober, kandidatstuderende Arianna Sherman og Weitao Shuai parkerede deres bil ved en bro på en landvej i Hillsborough, North Carolina. I gummistøvler, de vadede ind i en mudret å for at begynde at undersøge, hvordan landbrugsaffald og en kæmpe storm kan have forstyrret et økosystem.

Sherman og Shuai, begge medlemmer af Peter Jaffes forskningsgruppe inden for civil- og miljøteknik, var kommet for at undersøge næringsstofcykling og forurening langs Neuse -floden i kølvandet på orkanen Firenze, en storm i september, der gennemblødte det østlige North Carolina med mere end 20 tommer regn og førte til næsten rekordoversvømmelser langs floden. Sherman og Jaffe havde for nylig afsluttet et toårigt studie om Neuse, men udvidede deres projekt for at undersøge virkningerne af orkanen.

Meget af Neuse er foret med svinebrug, og mens nogle af dyrenes affald behandles og bruges som gødning, mange overskydende næringsstoffer fra gårdenes cesspools i det fri skyller ud i floden. Denne overbelastning af nitrogenbaserede næringsstoffer kan føre til skadelige algeblomster, der truer vandkvaliteten og forstyrrer økosystemet.

"Når du har alt dette oversvømmelse, affaldspuljer, der indeholder nitrogen, bliver skyllet, og de kommer alle nedstrøms, "sagde Sherman." Vi vidste, at det ville tage et stykke tid for landmændene at få deres drift tilbage online "efter stormen, tilføjede hun. "Med denne skylning af kvælstof, der kommer ud af brøndene og derefter ikke mere kvælstofbelastning i en periode, Vi ville se, hvordan systemet ville reagere. "

Arbejde gennem et mindre regnvejr en måned efter orkanen, de to studerende fyldte reagensglas med vand og skubbede et langt metalrør en fod ned i mønen for at opsamle jord. Tilbage på deres laboratorium i Princeton, Sherman undersøger prøverne for at forstå en kemisk proces kaldet Feammox, som Jaffes team først opdagede i et vådområde i New Jersey i 2004. Jaffe og andre genkender nu Feammox som et potentielt gennembrud for at fjerne nitrogenforurenende stoffer.

I Feammox -reaktionen, visse bakterier kan nedbryde (oxidere) ammonium, en vigtig nitrogenbaseret komponent i svineaffald. Denne reaktion er et vigtigt tidligt trin i omdannelsen af ​​nitrogenforurenende stoffer til harmløs nitrogengas. Kritisk, Feammox -bakterier udfører reaktionen i fravær af ilt. Mens spildevandsrensningsanlæg normalt bruger meget energi på at tvinge luft ind i spildevand for at lette oprydningen, Feammox har potentiale til at afhjælpe forurening i jord og grundvand, hvor der er lidt ilt til rådighed.

Neuse-flodens jordbund er sur og jernrig, giver ideelle betingelser for Feammox -processen, sagde Jaffe, William L. Knapp '47 professor i civilingeniør og associeret direktør for forskning ved Princetons Andlinger Center for Energi og Miljø. Feammox kræver periodisk påfyldning med oxideret jern, eller naturlig rust, som absorberer en elektron, der er tilbage, under Feammox -processen i et trin, der kaldes reduktion. "Det er muligt, at en stor stormbegivenhed afslører frisk jern, så vi ville undersøge, om processen forynges af oversvømmelser. "Orkanen Firenze præsenterede" en unik mulighed for at tjekke det ud, "sagde Jaffe.

Sherman og Shuai indsamlede jord- og vandprøver på seks steder langs Neuse og dens bifloder, herunder et område opstrøms for svinebrugene for at undersøge forurenende niveauer og kemiske processer, der opstår før kraftig forurening. Sherman analyserer Feammox-processen fra hvert sted ved at måle koncentrationer af ammonium og andre nitrogenholdige forbindelser, samt niveauer af forskellige jernformer.

Sekvensering af DNA ekstraheret fra jorden vil afsløre, hvilke typer bakterier der er til stede; laboratoriets tidligere arbejde har vist, at en stamme i familien Acidimicrobiaceae er ansvarlig for Feammox -reaktionen. For at få indsigt i virkningerne af oversvømmelser, forskerne vil sammenligne prøver efter orkanen med dem, der blev indsamlet fire måneder tidligere under mere typiske forhold.

Sherman tester, om Feammox -bakterier fra Neuse kan, ud over at modificere jern, kemisk reducere en form for selen, der ofte forurener landbrugsområder. Selen er et vigtigt mineral tilsat som supplement til dyrefoder. Overskydende selen skyller ind i akvatiske økosystemer, hvor det kan nå giftige niveauer. Feammox -processen kan muligvis omdanne selenforbindelser til former, der er langt mindre mobile i miljøet.

"Vores tilgang er at se på en proces meget grundlæggende under kontrollerede laboratorieforhold, og så se om vi kan gå til marken og måle den, "sagde Jaffe." Sådan går vi fra laboratoriet til marken, og til sidst i vandskelets skala. "

Da de samlede jord- og vandprøver, Sherman og Shuai efterlod sig også noget:De stak små elektroder i jorden på hvert prøveudtagningssted. I arbejde offentliggjort i december 2018 -udgaven af Anvendt og miljømikrobiologi , Jaffes team fandt ud af, at Feammox -bakterier kan kolonisere sådanne elektroder, med den positive ende, eller anode, står for oxiderede jernforbindelser. Hvis organismerne i Neuse også kan udføre Feammox på elektroder, dette vil yderligere øge udsigten til at bruge bakterier til at rense nitrogenforurening uden behov for jernkilder.

Forskerne vendte for nylig tilbage for at hente elektroderne, og planlægger at prøve igen hvert sted i foråret. Deres løbende analyser vil vise orkanens langsigtede virkninger på forurening og mikrobielt liv langs Neuse, samtidig afsløre måder at rydde op i sådanne kritiske økosystemer.