En regnig lördag i oktober, doktorander Arianna Sherman och Weitao Shuai parkerade sin bil vid en bro på en landsväg i Hillsborough, Norra Carolina. I gummistövlar, de vadade in i en lerig bäck för att börja undersöka hur gårdsavfall och en jättestorm kan ha stört ett ekosystem.

Sherman och Shuai, båda medlemmar i Peter Jaffes forskargrupp inom anläggnings- och miljöteknik, hade kommit för att undersöka näringsämnens kretslopp och föroreningar längs floden Neuse i kölvattnet av orkanen Florence, en septemberstorm som dränkte östra North Carolina med mer än 20 tum regn och ledde till nästan rekordstora översvämningar längs floden. Sherman och Jaffe hade nyligen avslutat en tvåårig studie om Neuse, men utökade sitt projekt för att utforska effekterna av orkanen.

En stor del av Neuse är kantad av svinfarmar, och medan en del av djurens avfall behandlas och används som gödningsmedel, många överskottsnäringsämnen från gårdarnas friluftsavlopp sköljer ut i floden. Denna överbelastning av kvävebaserade näringsämnen kan leda till skadliga algblomningar som hotar vattenkvaliteten och stör ekosystemet.

"När du har all denna översvämning, avfallsbassängerna som innehåller kvävet spolas, och de kommer alla nedströms, ", sa Sherman. "Vi visste att det skulle ta ett tag för bönderna att få tillbaka sin verksamhet online" efter stormen, tillade hon. "Med denna spolning av kväve som kommer ut ur avloppsbrunnen och sedan ingen mer kväveladdning under en period, vi ville se hur systemet skulle reagera."

Arbetar igenom en mindre regnstorm en månad efter orkanen, de två eleverna fyllde provrör med vatten och tryckte in ett långt metallrör en fot i leran för att samla upp jord. Tillbaka i deras labb i Princeton, Sherman undersöker proverna för att förstå en kemisk process som kallas Feammox, som Jaffes team först upptäckte i en våtmark i New Jersey 2004. Jaffe och andra erkänner nu Feammox som ett potentiellt genombrott för att eliminera kväveföroreningar.

I Feammox-reaktionen, vissa bakterier kan bryta ner (oxidera) ammonium, en viktig kvävebaserad komponent i svinavfall. Denna reaktion är ett viktigt tidigt steg för att omvandla kväveföroreningar till ofarlig kvävgas. Kritiskt, Feammox-bakterier utför reaktionen i frånvaro av syre. Medan avloppsreningsverk vanligtvis förbrukar mycket energi för att tvinga ut luft i avloppsvattnet för att underlätta saneringen, Feammox har potential att åtgärda föroreningar i mark och grundvatten där lite syre är tillgängligt.

Neuseflodens jordar är sura och järnrika, ger idealiska förhållanden för Feammox-processen, sa Jaffe, William L. Knapp '47 professor i byggnadsteknik och biträdande forskningschef vid Princetons Andlinger Center for Energy and the Environment. Feammox kräver periodisk påfyllning med oxiderat järn, eller naturlig rost, som absorberar en överbliven elektron under Feammox-processen i ett steg som kallas reduktion. "Det är möjligt att en stor storm exponerar färskt järn, så vi ville undersöka om processen föryngras av översvämningar." Orkanen Florence gav "ett unikt tillfälle att kolla upp det, sa Jaffe.

Sherman och Shuai samlade in jord- och vattenprover på sex platser längs Neuse och dess bifloder, inklusive ett område uppströms från svinfarmerna för att studera föroreningsnivåer och kemiska processer som inträffar före kraftig förorening. Sherman analyserar Feammox-processen från varje plats genom att mäta koncentrationer av ammonium och andra kvävehaltiga föreningar, samt nivåer av olika järnformer.

Sekvensering av DNA extraherat från jorden kommer att avslöja vilka typer av bakterier som finns; labbets tidigare arbete har visat att en stam i familjen Acidimicrobiaceae är ansvarig för Feammox-reaktionen. För att få insikter om effekterna av översvämningar, forskarna kommer att jämföra prover efter orkanen med de som samlats in fyra månader tidigare under mer typiska förhållanden.

Sherman testar om Feammox-bakterier från Neuse kan, förutom att modifiera järn, kemiskt reducera en form av selen som ofta förorenar jordbruksområden. Selen är ett viktigt mineral som tillsätts som ett komplement till djurfoder. Överskott av selen sköljer in i akvatiska ekosystem, där det kan nå giftiga nivåer. Feammox-processen kan kanske omvandla selenföreningar till former som är mycket mindre rörliga i miljön.

"Vårt tillvägagångssätt är att titta på en process väldigt fundamentalt i kontrollerade labbförhållanden, och sedan se om vi kan gå till fältet och mäta det, sa Jaffe. Så här går vi från labbet till fältet, och så småningom till vattendelareskalan."

När de samlade jord- och vattenprover, Sherman och Shuai lämnade också något bakom sig:De stack fast små elektroder i jorden vid varje provtagningsplats. I arbete publicerat i decembernumret 2018 av Tillämpad och miljömikrobiologi , Jaffes team fann att Feammox-bakterier kan kolonisera sådana elektroder, med det positiva slutet, eller anod, står för oxiderade järnföreningar. Om organismerna i Neuse också kan utföra Feammox på elektroder, detta kommer ytterligare att öka möjligheten att använda bakterier för att rensa upp kväveföroreningar utan behov av järnkällor.

Forskarna återvände nyligen för att hämta elektroderna, och planerar att prova om varje plats i vår. Deras pågående analyser kommer att visa orkanens långsiktiga effekter på föroreningar och mikrobiellt liv längs Neuse, samtidigt som man avslöjar sätt att städa upp sådana kritiska ekosystem.