Avloppsreningsverk har ett PR-problem:Folk tycker inte om att tänka på vad som händer med avfallet de spolar ner i sina toaletter. Men för många ingenjörer och mikrobiologer, dessa växter är en grodd för vetenskapliga framsteg, vilket fick deras branschorganisation att föreslå en namnändring till "anläggning för återvinning av vattenresurser."

Det beror på att avloppsvatten från våra handfat, toaletter, duschar och tvättmaskiner kan förvandlas till värdefulla produkter med hjälp av forskare och unika bakterier - några av dem upptäcktes bara av en slump så sent som på 1990 -talet.

Dessa senkomlingar till forskningsscenen, kallas anammox-bakterier, är föremål för en ny studie som leds av Daniel Noguera och Katherine McMahon, professorer i civil- och miljöteknik vid University of Wisconsin-Madison. Resultaten av deras forskning publicerades idag (31 maj, 2017) i tidskriften Naturkommunikation .

Bakteriens namn speglar dess funktion:Den omvandlar ammonium till kvävgas under anaeroba (syrefria) förhållanden. Både forskare och reningsverksoperatörer är entusiastiska över dessa mikrober eftersom de har potential att spara mycket pengar.

"Att kunna ta bort ammonium anaerobt är ganska viktigt eftersom cirka 50 procent av en avloppsanläggnings driftskostnad pumpar syre i vattnet, Noguera säger. "En del av detta syre behövs för att avlägsna ammonium med den konventionella metoden."

Men anammox-bakterier klarar inte sitt jobb isolerat. De är en del av en gemenskap, komplex som mikrobiomen i vår tarm som bryter ner mat och håller oss friska på många andra sätt. Det är denna gemenskap som var föremål för den nya studien.

"Vi visste väldigt lite om bakteriens roll som sameksisterar i anammoxgranulat, " säger Noguera. "För första gången, vår studie identifierade detaljerade genuttrycksnivåer i dessa granuler. Detta ger viktiga ledtrådar om vad anammox-bakterierna och deras partner faktiskt kan göra, och hur de interagerar. "

Dessa partners kallas heterotrofer, eftersom de förlitar sig på anammox-bakterierna - som är primära producenter (eller autotrofer), som växter som kan fotosyntes – att omvandla atmosfärisk koldioxid till organiskt kol. Bland de mest spännande resultaten av den nya studien är hypoteser för utbyte av biokemiskt material mellan dessa två grupper av mikrober.

Heterotroferna får det organiska kolet de behöver för att växa från anammoxbakterierna i form av flera specifika molekyler, upptäckte forskarna i studien. I gengäld, heterotroferna omvandlar kväve till en form som anammoxbakterier behöver för tillväxt.

Ett konventionellt avloppsreningsverk omvandlar ammonium, som är giftigt för fisk, i nitrogengas och nitrat. Kvävgas släpps ut i atmosfären, medan nitrat – ett viktigt växtnäringsämne – stannar i det behandlade vattnet. Reglerna om mängden nitrat som får släppas ut varierar beroende på stat, men överskott av nitrat bidrar till algblomning i naturliga vattendrag, minskar syrehalterna för vattenlevande organismer.

En ytterligare fördel med anammox-bakterier, jämfört med konventionell avloppsrening, är att de omvandlar en större mängd ammonium till kvävgas.

Behandlingsanläggningens operatörer måste nu väga fördelarna med dessa nya mikrober mot deras implementeringsutmaningar. Anammox bakterier växer mycket långsamt, det tar cirka sju dagar att fördubbla antalet. Och de kräver noggrant övervakade syre- och temperaturcykler, ökad operativ komplexitet.

Men anammoxreaktorer är inte det enda alternativet för framtidens reningsverk för att utvinna värdefulla resurser från avloppsvatten. Faktiskt, vissa anläggningar producerar redan mer energi än de behöver för att driva från den biogas som bildas vid nedbrytning av organiskt material.

"Om tio år, det typiska reningsverket kommer förmodligen att se ganska annorlunda ut än idag, " Noguera säger. "Återvunna resurser kanske inte bara inkluderar rent vatten och energi, men också en mängd olika kemikalier, såsom gödningsmedel och prekursorer av plast och fibrer. Som en del av denna utveckling, Jag tror att anammoxreaktorer snart kommer att bli konventionella. "