Het begon rond 1990 met een opmerkelijke observatie in een proefwaterzuivering van Gist-Brocades, waar door een onbekend proces stikstofgas werd gevormd. Pas na jaren van volhardend experimenteren door onderzoeksgroepen in Delft en Nijmegen kwamen de eerste anammox-bacteriën in beeld, die ammonium en nitriet omzetten in stikstofgas. Ook met de praktische toepassing hiervan in de waterzuivering had Nederland de primeur.
- Bijzondere biochemie
- Sluitstuk in de stikstofcyclus
- Groene waterzuivering
- Brandstof en elektriciteit
- Afvalzuivering in een vissenkop
Generaties microbiologen geloofden er niet in, of ze hebben er vergeefs naar gezocht, maar inmiddels is duidelijk dat anammox-bacteriën wereldwijd nuttig werk doen. Anammox staat voor ANaerobe AMMoniumOXidatie. Ze zetten ammonium en nitriet om in alomtegenwoordig stikstofgas en ze zijn daarmee belangrijke spelers in de wereldwijde stikstofcyclus. Bovendien is dezelfde bacteriële omzetting met de juiste procestechnologie ook bruikbaar om stikstofrijke afvalstromen weg te werken, bijvoorbeeld in de rioolwaterzuivering.
De zoektocht naar deze bacteriën begon in Delft en Nijmegen en ook veel ontdekkingen die erna zijn gedaan hebben Nederlandse roots. Het onderzoek aan anammox leidde ook tot technologische innovaties: in 2002 opende in Rotterdam de allereerste waterzuiveringsinstallatie op basis van anammox-technologie van het Nederlandse bedrijf Paques.
Bijzondere biochemie
Het kweken en bestuderen van anammox-bacteriën was lange tijd een uitdaging, doordat deze microben erg traag groeien en geen zuurstof verdragen. De kweek slaagde uiteindelijk in een wervelbedreactor met zwevende zandkorrels en lauwwarm zuurstofloos water. Na verloop van maanden kleuren de korrels roze van de bacteriebiomassa.
Deze kweek opende de weg voor meer experimenten, waaruit bleek dat anammox-bacteriën bij voorkeur nitriet (NO2) gebruiken voor oxidatie van ammonium (NH4).
NH4+ + NO2- → N2 + 2 H2O
Anammox kan leven op uitsluitend anorganische stoffen: de bacterie gebruikt nitriet als elektrondonor voor de reductie van kooldioxide, om zo suikers te maken. Een verrassende ontdekking was de rol van hydrazine (N2H4) — beter bekend als raketbrandstof — in het metabolisme van de bacterie. De bacterie maakt met nitriet en ammonium via een aantal tussenstappen hydrazine, wat vervolgens wordt omgezet in stikstofgas.
N2H4 → N2 + 4H+ + 4e-
De elektronen die bij die laatste stap vrijkomen drijven via het eiwit cytochroom c de energievoorziening van de bacteriecel. De grote hoeveelheid cytochroom in de cel geeft een anammox-kweek een kenmerkende, rozerode kleur.
Sluitstuk in de stikstofcyclus
Stikstof is overal: bijna 80 procent van de lucht die we inademen bestaat uit stikstofgas. In die vorm is stikstof voor planten en dieren onbruikbaar, want ze kunnen er geen bouwstoffen zoals aminozuren voor eiwitten mee maken. Stikstof-fixerende bacteriën hebben wel het biochemische gereedschap om stikstofgas op te werken tot ammonium. Dat fixeren van stikstof uit de lucht is een cruciaal onderdeel van de natuurlijke stikstofcyclus. Een ander deel van deze kringloop is de afbraak van eiwitten en ander organisch materiaal tot ammonium en nitraat, dat weer door planten kan worden opgenomen.
Tot slot wordt de stikstofcyclus naar de lucht gesloten via omzetting van ammonium, nitraat en nitriet in stikstofgas door onder meer anammox-bacteriën. Naar schatting is deze groep verantwoordelijk de productie van minstens 30 procent van het stikstofgas dat vrijkomt in de oceanen. Dat is een aanzienlijke prestatie voor een bacteriegroep waarvan microbiologen 25 jaar geleden nog betwijfelden of ze wel bestonden.
Groene waterzuivering
In de vrije natuur zijn anammox-bacteriën vaak in waterbodems en biofilms te vinden in een zuurstofarme biotoop met ammonium en nitriet. Met de juiste procestechnologie kan die situatie ook worden nagebootst in een zuiveringsreactor. Het is dan zaak dat nitrificerende bacteriën ongeveer de helft van het ammonium in het afvalwater met zuurstof omzetten in nitriet, en vervolgens kan anammox het mengsel van nitriet en ammonium te lijf.
Het is mogelijk om die twee stappen achtereenvolgens doen, en dat gebeurt bijvoorbeeld in de allereerste anammox-installatie die het van oorsprong Friese bedrijf Paques in 2002 ontwierp voor een rioolwaterzuivering in Rotterdam. In de daaropvolgende jaren ontwikkelde het bedrijf een proces met één reactor, waarin nitrificerende bacteriën en anammox een gemeenschap vormen in kleine slibkorrels. Aan de buitenkant van de korrel groeien nitrificerende bacteriën, binnenin anammox.
‘Uit fundamenteel onderzoek komen vaak heel nuttige inzichten, maar je moet toch altijd praktisch onderzoeken of je er een bruikbare procestechnologie mee kunt ontwikkelen’, zegt milieutechnoloog Willie Driessen, productmanager bij Paques. ‘Wat dat betreft zijn reactoren met korrelslib een Nederlandse uitvinding, en dat geldt ook voor zuivering met anammox. Met korrelslib kun je heel hoge concentraties biomassa bereiken en zo compacte, efficiënte installaties ontwerpen. Zo’n een-staps-proces is ook eenvoudiger te controleren.’
In deze reactoren wordt ammoniumrijk afvalwater gepompt terwijl vanaf de bodem een luchtstroom zorgt voor zuurstof en menging. Boven in de reactor zit een slibretentiesysteem dat gezuiverd water laat wegstromen, terwijl de bruinrode slibkorrels in de reactor blijven. Driessen: ‘Je wilt zoveel mogelijk biomassa behouden, want dat bepaalt de zuiveringsprestaties. Slibretentie is dus heel belangrijk, en in dat systeem zit onze belangrijkste knowhow. Plus het creëren van de optimale groeicondities, zoals temperatuur en zuurstofgehalte.’
Van dit type korrelslib anammox-reactoren zijn er wereldwijd zo’n zeventig in bedrijf, en daarmee worden industrieel afvalwater en zogenaamd rejectiewater gezuiverd dat vrijkomt uit vergistingstanks. Daarin wordt uit bijvoorbeeld rioolzuiveringsslib en ander organisch afval biogas geproduceerd. Het restwater van de vergisting bevat veel ammonium en is lauwwarm – kortom heel geschikt voor de groei van anammox-bacteriën.
Het voordeel van verwerking van ammonium via de anammox-route zit in het uitsparen van elektriciteit en chemicaliën. Er hoeft namelijk minder te worden belucht en anammox-bacteriën hebben geen behoefte aan een extra koolstofbron in de vorm van methanol. Doordat anammox bacteriën langzaam groeien ontstaat er bij de zuivering ook relatief weinig surplusslib. In een installatie zoals die in Rotterdam bespaart de anammox-technologie per jaar naar schatting 250 ton methanol en 275.000 kilowattuur aan stroom.
Brandstof en elektriciteit
Anammox-bacteriën kunnen chemische trucs uitvoeren die tot de verbeelding spreken, zoals de synthese van hydrazine; chemische grondstof voor geneesmiddelen en bestrijdingsmiddelen, en brandstof voor oudere generaties raketten. De industrie synthetiseert hydrazine uit onder meer chlooramine en natriumhypochloriet in combinatie met ammoniak of ureum.
Anammox vergt veel onschuldiger grondstoffen in een enzymatisch proces dat geen afvalstroom oplevert. Alleen is de grote vraag: hoe boots je dat na in een biotechnologisch proces? Hydrazine is erg reactief en giftig. Dat anammox niet het loodje legt, is te danken aan opsluiting van hydrazine-synthese in speciale organellen. Deze anammoxosomen hebben een goed sluitende membraan met zogenaamde ladderanen: lipiden gekoppeld aan een reeks geschakelde cyclobutaanringen.
Onderzoekers proberen de uitzonderlijke hydrazine-biochemie in het lab te temmen door bijvoorbeeld de enzymen uit deze bacterie samen te brengen. Een andere optie is om anammox-genen in een andere, makkelijker groeiende bacteriesoort te zetten, zodat die het gereedschap krijgt om hydrazine te maken.
Een andere onderzoekslijn richt zich op het ‘oogsten’ van de elektronen die anammox vrijmaakt uit hydrazine. Onder afwijkende kweekomstandigheden kun je anammox namelijk dwingen een deel van de elektronen over te dragen op een elektrode, waardoor er een klein stroompje gaat lopen. Dat is lang niet voldoende om een telefoon op te laden, maar de hoop is dat door gericht te zoeken naar nieuwe anammox-soorten, deze stroomopbrengst geleidelijk kan toenemen.
Afvalzuivering in een vissenkop
Net als bijvoorbeeld koeien, varkens en mensen produceren vissen ammonium als restant van hun eiwitstofwisseling. Ze lozen die afvalstof via de kieuwen richting het zwemwater. Dat klinkt overzichtelijk en logisch, maar met de stikstofhuishouding van vis is iets vreemds aan de hand, merkte Maartje van Kessel van de Radboud Universiteit in Nijmegen. Er lijkt namelijk stikstof te verdwijnen, want in laboratoriumaquaria wordt minder ammonium gemeten dan je mag verwachten op basis van voerverbruik en eiwitafbraak.
Via een reeks van experimenten met gelabeld stikstof kon Van Kessel aantonen dat karpers naast ammonium ook stikstofgas produceren. Met moleculaire technieken en elektronenmicroscopie kwam de locatie in beeld. In de kieuwen zijn twee bacteriesoorten te vinden die gezamenlijk zorgen voor de omzetting van ammonium in stikstofgas. Het bijzondere van de symbiose is het nauwe contact met de gastheer, want de microben leven in de cellen van de vis.
Sinds de eerste publicatie in 2016 stond het onderzoek even op een laag pitje, totdat Wouter Mes er een proefschrift aan wijdde dat hij eind september heeft verdedigd. In zijn onderzoek kijkt hij onder meer wanneer de symbionten hun intrek nemen bij jonge vis. Mes: ‘Deze symbiose is zowel microbiologisch interessant als bekeken vanuit visbiologie en viskweek. Zo blijkt uit mijn onderzoek dat afhankelijk van het voederregime bij karpers 18 tot 39 procent van het ammonium door bacteriën in stikstofgas wordt omgezet.’ In de viskweek is waterzuivering heel belangrijk, en deze symbiose kan daar een belangrijke bijdrage aan leveren.
Mes en Van Kessel hebben diverse pogingen gedaan om de kieuwbacteriën te kweken in het lab, maar dat is nog niet helemaal geslaagd. Van Kessel: ‘Met PCR en sequensen zijn we wel veel meer te weten gekomen. Het isoleren blijft een uitdaging: je moet de vissencellen kwijtraken en vooral bacteriecellen overhouden, terwijl de bacteriën minder dan een procent van de biomassa uitmaken. Het is vooral een kwestie van tijd voordat het lukt.’
Nog geen opmerkingen