Screening bacterial isolates: Psychrobacter sp. metabolite for wastewater treatment

Rioolwaterzuiveringsinstallaties zijn de onbezongen bewakers van de volksgezondheid; zij filteren het water dat we gebruiken, zodat het veilig kan terugkeren naar de omgeving. Het proces laat echter een dikke, natte residu achter die bekend staat als rioolslib. Het beheren van dit slib is een van de duurste en moeilijkste onderdelen van het runnen van een zuiveringsinstallatie. Voordat het kan worden afgevoerd of hergebruikt, moet het water dat in het slib gevangen zit eruit worden geperst, een proces dat dewatering (ontwatering) wordt genoemd. Momenteel vertrouwen ingenieurs vaak op synthetische chemicaliën om de kleine deeltjes bij elkaar te laten klonteren, zodat het water kan wegstromen. Hoewel effectief, kunnen deze door mensen gemaakte additieven giftige residuen en zware metalen achterlaten, waardoor er een nieuw milieuprobleem ontstaat terwijl men probeert het oude probleem op te lossen. Wetenschappers zoeken al lang naar een schoner alternatief: een stof die wordt geproduceerd door levende wezens en die niet-toxisch en biologisch afbreekbaar is. Deze zoektocht heeft onderzoekers ertoe geleid de microscopische wereld van bacteriën te verkennen, in de hoop een natuurlijk agens te vinden dat dezelfde taak kan uitvoeren als harde chemicaliën, maar zonder de schadelijke bijwerkingen.

In een recente studie richtten onderzoekers uit Brazilië hun aandacht op een unieke bron voor deze microscopische werkers: de oppervlakken van zonnepanelen. Zonnepanelen worden vaak blootgesteld aan barre omstandigheden, waaronder intens zonlicht en grote temperatuurschommelingen, wat de bacteriën die op deze panelen leven dwingt om robuuste overlevingsstrategieën te ontwikkelen. Het team verzamelde vier verschillende soorten bacteriën van deze panelen en testte hun vermogen om een natuurlijk flocculant te produceren, een stof die ervoor zorgt dat zwevende deeltjes aan elkaar blijven plakken en bezinken. Ze kweekten de bacteriën in een laboratoriumsetting en observeerden hoe goed de door hen geproduceerde vloeistof een troebele mengeling van klei en water kon helderen. Hoewel alle vier de bacteriestammen enige mate van vermogen vertoonden om deeltjes te laten klonteren, was er één die eruit sprong. Een bacterie genaamd Psychrobacter sp. produceerde een metaboliet die niet alleen zeer effectief was, maar ook opmerkelijk stabiel over een langere periode, waarbij het zijn prestaties behield lang nadat de andere stammen hun kracht waren verloren.

De onderzoekers richtten zich vervolgens volledig op deze winnende stam om te begrijpen hoe ze er het meeste uit kunnen halen. Ze testten verschillende condities, zoals het veranderen van de zuurgraad van het water, de temperatuur en de hoeveelheid toegevoegde bacteriën aan het mengsel. Verrassend genoeg bleken de bacteriën erg taai te zijn; hun vermogen om het flocculant te produceren was niet sterk afhankelijk van deze specifieke condities, wat suggereert dat de organisme van nature veerkrachtig is. Door echter de trends in hun gegevens zorgvuldig te analyseren, identificeerde het team een reeks condities die de productie maximaliseerde: een sterk alkalische omgeving, een gematigde temperatuur en een specifieke hoeveelheid bacteriële starter. Onder deze geoptimaliseerde instellingen waren ze in staat om een aanzienlijke hoeveelheid van de droge stof te oogsten, met een opbrengst van bijna drie gram van het materiaal voor elke liter geproduceerde vloeistof.

Om te begrijpen wat deze natuurlijke stof laat werken, ontleedde het team het chemisch. Ze vonden dat het een complexe mengeling was, die voornamelijk bestond uit koolhydraten, gevolgd door lipiden en eiwitten. Wanneer ze de substantie onder een microscoop bekeken, verscheen deze als onregelmatige, korrelige deeltjes variërend van minuscule spikkels tot grotere klonten. Verdere analyse met infrarood licht onthulde de aanwezigheid van specifieke chemische groepen, zoals hydroxyl- en carboxylgroepen, die fungeren als kleine haakjes die de deeltjes grijpen en bij elkaar houden. Deze chemische structuur is wat de substantie in staat stelt de elektrische ladingen te neutraliseren die de slibdeeltjes normaal gesproken uit elkaar houden, waardoor ze kunnen klonteren en bezinken.

De echte test kwam toen de onderzoekers dit bacteriële product toepasten op echt rioolslib van een gemeentelijke zuiveringsinstallatie. Ze behandelden zowel aeroob slib, dat afkomstig is uit tanks waar lucht in wordt gepompt, als anaeroob slib, dat afkomstig is uit tanks zonder zuurstof. In het aeroob slib presteerde het bacteriële product uitzonderlijk goed en klare het water met een efficiëntie van bijna 94 procent. Dit resultaat was bijna identiek aan dat van een toonaangevend commercieel chemisch polymeer dat momenteel in de industrie wordt gebruikt. In het anaeroob slib, dat dikker en moeilijker te behandelen is, was het natuurlijke product minder effectief, met een efficiëntie van ongeveer 72 procent, maar het toonde nog steeds veelbelovende resultaten. De onderzoekers merkten op dat terwijl het chemische polymeer grote, taaie klonten vormde, het bacteriële product kleinere, sneller bezinkende aggregaten creëerde.

Deze studie demonstreert dat bacteriën die op zonnepanelen leven een rijke bron kunnen zijn van milieuvriendelijke hulpmiddelen voor het reinigen van afvalwater. De Psychrobacter-stam die in dit werk is geïdentificeerd, biedt een levensvatbaar, niet-toxisch alternatief voor synthetische chemicaliën, in staat om het zware werk van de dewatering van slib te doen met een prestatie die die van industriële standaarden evenaart. Hoewel het proces nog geen perfecte vervanging is voor elke situatie, met name voor de meest uitdagende soorten slib, opent het onderzoek een duidelijk pad voorwaarts. Door het proces van hoe deze bacteriën worden gekweekt te verfijnen en precies te begrijpen hoe hun natuurlijke producten interageren met slib, kunnen wetenschappers binnenkort een duurzame oplossing hebben die ons water schoon houdt zonder een toxische voetafdruk achter te laten.