Alla som bor i Okinawa, en subtropisk ö i Japan, har en uppskattning av intensiteten i sin grisuppfödningsindustri. Gårdarna har stor effekt på öns ekonomi och kultur. Enligt Japans kabinettskontor, från och med 2018, det fanns över 225, 000 grisar i Okinawa. Fläsk är en stapelvara i den lokala kosten och finns i många rätter på traditionella restauranger. Men närvaron av grisfarmerna har en annan, mindre välkommen, påverkan - den luktande typen. Kör genom några särskilt gårdsfyllda områden med bilens fönster neddragna och du kommer säkerligen att fyllas av ånger.

Denna lukt är, åtminstone delvis, orsakas av en biprodukt från grisuppfödningen. Tvärs över Okinawa, stora mängder avloppsvatten produceras av gårdarna. Nu, forskare från Biological Systems Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har skapat ett nytt system för att behandla detta avloppsvatten, som de framgångsrikt har testat på en lokal svinfarm i Okinawa.

"Vårt nya system använder två olika kammare, " förklarade Dr. Anna Prokhorova, huvudförfattare till en artikel som nyligen publicerades i Bioresource Technology . "I den ena kammaren, fullstyrka svinavloppsvatten behandlas för att avlägsna lukt, patogener, och organiskt material, medan i den andra kammaren, överskott av nitrat och fosfat avlägsnas från avloppsvatten som redan har renats genom det traditionella luftningssystemet. Som vi förstår det, detta är det första systemet som framgångsrikt behandlar två olika typer av avloppsvatten samtidigt."

Detta är en stark kontrast till det traditionella luftningssystem som idag används av bönder som huvudsakligen behandlar organiskt material i avloppsvattnet och även omvandlar ammonium som finns till nitrat men inte behandlar nitratet ytterligare. I Japan, nitratutsläppsgränsen för djurindustrin kommer snart att sänkas till en femtedel av den nuvarande nivån (som idag ligger på 500 milligram nitrat-kväve per liter) för att vara i linje med andra industrier. Mer än 35 % av gårdarna i Okinawa kommer sannolikt att överskrida denna förestående förändring.

"Detta är ett stort problem eftersom nitratkontamination kan ha katastrofala effekter på både människors hälsa och miljön, "sa Dr Mami Kainuma, gruppledare i enheten för biologiska system. "När nitrat intas av människor, det omvandlas till nitrit, vilket påverkar blodets förmåga att transportera syre och kan leda till methemoglobinemi eller blue baby syndrome."

Detta nya system förlitade sig på att det fanns en rik gemenskap av bakterier för att påbörja processen. I den första kammaren - anodkammaren - reagerade bakterierna med de närvarande organiska molekylerna, frigör elektroner i processen. Dessa elektroner överfördes sedan till den andra kammaren - katodkammaren - via elektroderna. Katodkammaren innehöll avloppsvatten som redan hade genomgått luftningsprocessen och därmed hade höga halter nitrat. Bakterier på ytan av katodkammaren accepterar dessa elektroner och använde dem för att driva omvandlingen av nitrat till kvävgas. Fördelen med detta system är att nitratavskiljningen kan ske i avloppsvatten med låg halt av organiskt material, såsom det redan luftade vattnet.

Efter att ha lyckats testa detta system i labbet, forskarna startade ett första pilotexperiment på en av grisfarmarna i Okinawa Prefecture Livestock and Grassland Research Center genom att arbeta med Okinawa Prefecture Environment Science Center och Okidoyaku. Där hade de tillgång till både luftningstanken och råavloppsvattnet. Projektet finansierades av Okinawa Prefectural Government och övervakades i över ett år. På grund av den integrerade roll som bakteriesamhällena spelade, forskarna analyserade också vilka arter som fanns, hur samhällets sammansättning förändrades över tiden, och vilka arter som var ansvariga för varje steg.

Långtidsexperimentet visade att de dominerande nitratavlägsnande bakterierna var de som kan ta emot elektroner för att växa. Under behandlingen, deras aktivitet stimulerades av applicerad potential på elektroden inom ett område av -0,4V – -0,6V, vilket ledde till en effektivare rening av avloppsvattnet. Sådana bakteriesamhällen växte med över 60% totalt i katodkammaren, och fortsatte att uppvisa stark aktivitet, vilket leder till en hög grad av nitratreduktion. En annan stor fördel var att som det organiska materialet och, särskilt, de flyktiga fettsyrorna bröts ned i rått avloppsvatten, lukten minskade, och antalet patogener minskat.

"Vi är mycket nöjda med resultaten hittills. Det är mycket mer effektivt än vi förväntat oss, "sa Dr Prokhorova." Detta system är skalbart, låg kostnad, lätt att montera, och lågt underhåll. Vi hoppas att inom de närmaste åren, det kommer att användas av bönder i Okinawa och andra platser med liknande problem, som landsbygdssamhällen på fastlandet Japan och Sydostasien. "