Una delle maggiori minacce per l'ambiente oggi sono le acque reflue lasciate dalle attività produttive. Pratiche agricole, come l'allevamento di suini, produrre una grande quantità di acque reflue contenenti contaminanti organici, gas maleodoranti, e altre sostanze dannose per l'approvvigionamento idrico. I metodi usuali di trattamento e riciclaggio di tali acque reflue includono l'aerazione, applicandolo come fertilizzante ad altre aree agricole o confinandolo in stagni e zone umide specializzate per subire processi di pulizia naturale.

Però, in zone come Okinawa, Giappone, con risorse territoriali limitate e molti allevamenti di suini, la quantità di acque reflue prodotte supera la terra disponibile per il trattamento e il riciclaggio. Come tale, c'è un grande bisogno di trovare di meglio, Più veloce, e metodi più economici di trattamento delle acque reflue, che fa parte di ciò che ha dato vita all'Unità di sistemi biologici presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Utilizzando una promettente tecnologia di trattamento delle acque reflue, chiamata cella a combustibile microbica (MFC), l'Unità mira ad aiutare l'isola e, per procura, altre località con problemi di acque reflue simili, ridurre il carico di acque reflue.

Un MFC è, in un senso, un contenitore anaerobico di batteri concentrati che si nutrono di materiale biodegradabile e batteri presenti nelle acque reflue. Funziona tramite bioelettrochimica, il che significa che l'energia utilizzata per far funzionare la cella è generata dal trasferimento di elettroni dai batteri agli elettrodi all'interno del dispositivo, non è necessaria alcuna fonte di energia esterna. Quando le acque reflue passano attraverso un MFC, i batteri "nutritori" digeriscono i composti organici nelle acque reflue e l'acqua più pulita esce dall'altra parte. Inoltre, il processo di digestione espelle energia che viene convertita in energia elettrica utilizzabile. Il risultato finale è un dispositivo che pulisce le acque reflue e genera elettricità mentre lo fa.

"[Le celle sono] a bassa manutenzione, basso costo, e non hanno molte parti mobili, " spiega David Simpson, un tecnico dell'Unità di Sistemi Biologici dell'OIST. Questo è importante per coloro che non hanno il tempo o le risorse per mantenere costose attrezzature per il trattamento, una descrizione che si adatta al conto per i lavoratori tormentati come gli allevatori di maiali.

"Idealmente quello su cui stiamo lavorando è mettere la cella a combustibile [dove ne hai bisogno] e dimenticartene, " spiega il professor Igor Goryanin, che guida l'Unità all'OIST. "Controllerà e tratterà le acque reflue da solo".

Già i ricercatori dell'OIST hanno sviluppato MFC con la capacità di funzionare per lunghi periodi di tempo senza rompersi o "ingoiarsi". Ora, in un articolo pubblicato su Scientifica , hanno individuato un modo per rafforzare anche le prestazioni dei dispositivi. Prima di eseguire un MFC, deve prima essere coltivato, o inoculato, con i batteri "digeribili". Per fare questo, uno spala fanghi contenenti batteri in una parte dell'MFC chiamata anodo. Qui, i batteri desiderati vengono propagati per un uso successivo nel trattamento delle acque reflue.

Nel loro studio, i ricercatori dell'OIST hanno ipotizzato che un MFC sarà più efficace nel trattamento delle acque reflue se l'anodo viene preparato con fanghi che sono stati in precedente contatto con quel particolare flusso di rifiuti. Hanno testato questa ipotesi in un allevamento di maiali locale gestito dall'Okinawa Animal Husbandry Research Center a Nakijin, un villaggio nella parte settentrionale dell'isola. Hanno usato fanghi raccolti da un serbatoio di raccolta delle acque reflue suine in questa fattoria, così come i fanghi raccolti da un reattore di acque reflue in un birrificio locale. Confrontando la produttività dei due tipi di MFC, hanno scoperto che i fanghi di suini MFC trattavano le acque reflue dell'allevamento di suini molto meglio di quelle del birrificio locale. I marcatori che i ricercatori hanno usato per giudicare questo erano il tasso di rimozione della domanda chimica di ossigeno e acidi grassi volatili, contaminanti dell'approvvigionamento idrico, nonché la generazione di elettricità.

Oltre all'allevamento di suini, l'Unità dispone di MFC collocati in altri siti a Okinawa e in tutto il mondo, inclusa una distilleria Awamori a Okinawa, una distilleria di whisky in Scozia, e una cantina in California, Stati Uniti. In California stanno usando le acque reflue trattate per l'irrigazione. Gli MFC del sito della distilleria Awamori sono operativi da circa 5 anni. Simpson spiega che, al momento, questi MFC nel sito di Awamori stanno pulendo l'acqua a un livello che consente uno scarico sicuro nelle fogne.

"[Possiamo] rimuovere i prodotti organici in misura elevata, con circa il 90% di efficienza, "Spiega Simpson. "Ma trattandolo rilascia ammoniaca e fosfati". Queste sono sostanze chimiche che possono causare l'esaurimento dell'ossigeno nell'acqua e la proliferazione di alghe dannose. "Quindi stiamo cercando di chiudere il cerchio". Stanno lavorando per raccogliere le sostanze nutritive— fosfato, ammoniaca:su scala di laboratorio.

L'Unità sta attualmente lavorando con i collaboratori dell'Okinawa Prefectural Livestock and Grassland Research Center e dell'Okinawa Environment Science Center, con il finanziamento del governo della prefettura di Okinawa, sviluppare una soluzione per catturare e rimuovere i nutrienti, potenzialmente portando a sottoprodotti preziosi e sostenibili per i fertilizzanti.

"L'idea del trattamento delle acque reflue è quella di aiutare alla fine quei paesi che non hanno accesso all'acqua potabile pulita, "Il professor Goryanin spiega, "magari pulendo l'acqua da utilizzare nei pozzi potabili".

Per adesso, i ricercatori dell'OIST continueranno a testare, correre, e ottimizzare i loro MFC con la speranza che un giorno possano alleviare il carico di acque reflue del globo.