Avloppsrening kan vara ett oglamoröst jobb, men bakterier gör det gärna. Avloppsanläggningar förlitar sig på bakterier för att ta bort miljögifter från avfallet så att det bearbetade vattnet säkert kan släppas ut i hav och floder.

Nu, en bakterie som upptäckts av Princeton -forskare i ett träsk i New Jersey kan erbjuda en effektivare metod för behandling av toxiner som finns i avlopp, avrinning av gödselmedel och andra former av vattenföroreningar.

Bakterien, Acidimicrobiaceae bakterie A6, kan bryta ned ammonium, en förorening som finns i avlopps- och gödningsmedel. Ännu mer spännande är att A6 kan utföra denna kemiska omvandling i frånvaro av syre, en förmåga som kan vara användbar för att tillhandahålla alternativa metoder till kostsamma syreberoende metoder som för närvarande används vid avloppsrening och andra processer.

"Mycket energi används av maskiner som blandar luft i avloppsvatten för att ge syre för att bryta ned ammonium, "sa Peter Jaffe, William L. Knapp '47 professor i civilingenjörer vid Princeton och professor vid Princetons Andlinger Center for Energy and the Environment. "A6 utför samma reaktion anaerobt och kan presentera en mer effektiv metod för behandling av ammonium och ett sätt att behandla andra miljöföroreningar som finns i syrefattiga områden, såsom underjordiska akviferer. "

Jaffe och hans kollega Shan Huang, en associerad forskare i civil- och miljöteknik vid Princeton, rapporterade upptäckten av A6 och dess unika förmågor den 11 april i tidningen PLOS ONE .

De flesta avloppsanläggningar som släpps ut i hav eller floder använder redan bakterier för att avlägsna ammonium från avfall, men det kräver att man slänger in mycket luft i slammet för att mata bakterierna med syre. Bakterierna använder syret i en kemisk reaktion som förvandlar ammonium till nitrit och sedan omvandlar andra bakterier nitrit till ofarlig kvävgas.

Avlägsnande av ammonium är viktigt för att förhindra utarmning av syre i strömmar och för att förhindra övergödning, tillväxten av överdriven alger och andra växter som utlöses av kväveföreningar från avlopp och jordbruksavrinning.

En alternativ kemisk process för att bryta ned ammonium, känd som Feammox, förekommer surt, järnrik, våtmarksmiljöer och jordar, och har befunnits äga rum i flodmarker i New Jersey, i tropiska regnskogar i Puerto Rico, i våtmarker i South Carolina, och på olika skogs- och våtmarker i södra Kina. Det var inte klart, dock, vad som möjliggjorde Feammox -reaktionen.

Jaffe och Huang hade en aning om att en enda bakterie kan vara grunden för processen 2015 när de studerade prover från Assunpink -våtmarken nära Trenton, New Jersey. I en studie vid den tiden, Jaffe och hans kollegor fann att Feammox -reaktionen endast ägde rum i träskproven när en klass av bakterier som kallades Actinobacteria var närvarande. Bland dessa bakterier, forskarna identifierade en specifik bakterieart som de dubbade Acidimicrobiaceae bakterie A6 och som de misstänkte spelade en nyckelroll i Feammox -reaktionen. De hade en aning om att A6 konverterade ammonium till nitrit och vanliga bakterier hanterade omvandlingen av nitrit till kvävgas.

Dock, att isolera bakterien och definitivt bekräfta dess roll tog år av noggrann forskning. I deras nya studie, Princeton -teamet blandade jordprover som samlats in från våtmarken i New Jersey med vatten och ett material som innehåller järnoxid och ammonium och tillät blandningen att inkubera i flaskor i nästan ett år.

Blandning av jordproverna och metallmediet i injektionsflaskorna gjordes i en syrefri kammare och flaskorna förseglades lufttätt för att efterlikna de anaeroba förhållandena i våtmarken från vilken bakterierna härstammar.

Ungefär varannan vecka under året, forskarna tog bort ett litet prov från var och en av flaskorna för att se om järnoxiden och ammoniumet bryts ned. När de upptäckte ett prov där denna reaktion ägde rum, de använde genetisk sekvensering för att identifiera närvarande bakteriearter - och fann definitivt att A6 genomförde Feammox -reaktionen.

"Ända sedan vi upptäckte att reaktionen ägde rum i våtmarken här i New Jersey, vi har misstänkt att en bakterie höll tungt, "Jaffe säger." Denna studie bekräftade att A6 har denna förmåga, vilket gör den till den första kända arten som är känd för att genomföra Feammox -reaktionen. "

Princeton -teamet undersöker hur man bygger en reaktor där A6 kan användas för att bearbeta ammonium i industriell skala. En utmaning är att bakterierna konsumerar mycket järn för att genomföra processen, vilket skulle göra det för dyrt för att ersätta luftning. För att komma runt detta problem, forskarna experimenterar med att applicera en liten elektrisk potential mellan två elektroder som sätts in i reaktorns vätska i en enhet som de kallade en "mikrobiell elektrolyscell". Elektroderna kan sedan ta den roll som järn tog i Feammox -reaktionen.

Princeton -teamet arbetar tillsammans med det kinesiska miljöministeriet för att utveckla en prototypreaktor för att minska ammonium och tungmetaller i avloppsvatten. De undersöker om tekniken kan hjälpa till att motverka övergödning, där överdriven näring i avrinning skadar floder, sjöar och kustlinjer.

Forskarna fann också att medan man oxiderar ammonium, A6 -bakterien kan också samtidigt avlägsna trikloretylen och tetrakloreten, två svårbehandlade föroreningar som ofta finns på förorenade platser. Bakterien skulle också överföra elektroner till andra föreningar än järn som uran och koppar. När det gäller uran, omvandla den till en form som inte är löslig i vatten.

"Eftersom det inte kräver syre, A6 kan överleva på platser som andra bakterier kanske inte gör, som i förorenat grundvatten, "Jaffe säger." Kombinera det med sin mångsidighet i att avhjälpa olika föroreningar och det kan bli ett mycket viktigt verktyg för att hantera en rad miljöproblem. "