Il trattamento delle acque reflue può essere un lavoro poco affascinante, ma i batteri sono felici di farlo. Gli impianti di depurazione si affidano ai batteri per rimuovere le tossine ambientali dai rifiuti in modo che l'acqua trattata possa essere scaricata in sicurezza negli oceani e nei fiumi.

Ora, un batterio scoperto dai ricercatori di Princeton in una palude del New Jersey può offrire un metodo più efficiente per il trattamento delle tossine trovate nelle acque reflue, deflusso di fertilizzanti e altre forme di inquinamento delle acque.

Il batterio, batterio Acidimicrobiaceae A6, è in grado di scomporre l'ammonio, un inquinante che si trova nelle acque reflue e nel deflusso dei fertilizzanti. Ancora più intrigante è che A6 può eseguire questa conversione chimica in assenza di ossigeno, un'abilità che potrebbe essere utile per fornire metodi alternativi ai costosi metodi dipendenti dall'ossigeno attualmente utilizzati nel trattamento delle acque reflue e in altri processi.

"Una grande quantità di energia viene utilizzata da macchinari che mescolano l'aria nelle acque reflue per fornire ossigeno per abbattere l'ammonio, " disse Peter Jaffe, il William L. Knapp '47 Professore di Ingegneria Civile a Princeton e un professore all'Andlinger Center for Energy and the Environment di Princeton. "A6 svolge questa stessa reazione in modo anaerobico e potrebbe presentare un metodo più efficiente per il trattamento dell'ammonio e un modo per trattare altri inquinanti ambientali presenti in aree povere di ossigeno, come le falde acquifere sotterranee".

Jaffe e il suo collega Shan Huang, uno studioso di ricerca associato in ingegneria civile e ambientale a Princeton, ha riportato la scoperta di A6 e delle sue abilità uniche l'11 aprile sulla rivista PLOS UNO .

La maggior parte degli impianti fognari che scaricano negli oceani o nei fiumi utilizzano già i batteri per rimuovere l'ammonio dai rifiuti, ma per farlo è necessario agitare molta aria nei fanghi per alimentare l'ossigeno dei batteri. I batteri usano l'ossigeno in una reazione chimica che trasforma l'ammonio in nitrito e poi altri batteri convertono il nitrito in azoto innocuo.

La rimozione dell'ammonio è importante per prevenire l'esaurimento dell'ossigeno nei corsi d'acqua e per prevenire l'eutrofizzazione, la crescita eccessiva di alghe e altre piante innescata da composti azotati provenienti da acque reflue e deflussi agricoli.

Un processo chimico alternativo per abbattere l'ammonio, noto come Feammox, si verifica in acido, ricco di ferro, ambienti e suoli delle zone umide, ed è stato scoperto che si svolge nei suoli delle zone umide ripariali nel New Jersey, nei terreni della foresta pluviale tropicale a Porto Rico, nei terreni paludosi della Carolina del Sud, e in varie località boschive e umide nel sud della Cina. Non era chiaro, però, cosa ha permesso la reazione di Feammox.

Jaffe e Huang avevano la sensazione che un singolo batterio potesse essere alla radice del processo nel 2015 quando studiavano campioni prelevati dalla zona umida di Assunpink vicino a Trenton, New Jersey. In uno studio dell'epoca, Jaffe e i suoi colleghi hanno scoperto che la reazione di Feammox ha avuto luogo solo nei campioni di palude quando era presente una classe di batteri noti come Actinobacteria. Tra questi batteri, i ricercatori hanno identificato una specie specifica di batterio che hanno soprannominato batterio Acidimicrobiaceae A6 e che sospettavano avesse avuto un ruolo chiave nella reazione di Feammox. Avevano la sensazione che A6 stesse convertendo l'ammonio in nitrito e che i batteri comuni stessero gestendo la conversione del nitrito in gas azoto.

Però, isolare il batterio e confermarne definitivamente il ruolo ha richiesto anni di minuziose ricerche. Nel loro nuovo studio, il team di Princeton ha mescolato campioni di terreno raccolti dalla zona umida del New Jersey con acqua e un materiale contenente ossido di ferro e ammonio e ha permesso alla miscela di incubare in fiale per quasi un anno.

La miscelazione dei campioni di terreno e del mezzo metallico nelle fiale è stata eseguita in una camera priva di ossigeno e le fiale sono state sigillate a tenuta d'aria per imitare le condizioni anaerobiche del terreno delle zone umide da cui hanno avuto origine i batteri.

Circa ogni due settimane nel corso dell'anno, gli scienziati hanno rimosso un piccolo campione da ciascuna delle fiale per vedere se l'ossido di ferro e l'ammonio si stavano degradando. Quando hanno scoperto un campione in cui stava avvenendo questa reazione, hanno usato il sequenziamento genetico per identificare le specie batteriche presenti e hanno scoperto definitivamente che A6 stava eseguendo la reazione di Feammox.

"Da quando abbiamo scoperto che la reazione stava avvenendo nella zona umida qui nel New Jersey, abbiamo sospettato che un batterio stesse facendo il lavoro pesante, " dice Jaffe. "Questo studio ha confermato che A6 ha questa capacità, rendendola la prima specie nota per eseguire la reazione di Feammox."

Il team di Princeton sta esplorando come costruire un reattore in cui l'A6 potrebbe essere utilizzato per elaborare l'ammonio su scala industriale. Una sfida è che i batteri consumano una grande quantità di ferro per eseguire il processo, che lo renderebbe troppo costoso come metodo per sostituire l'aerazione. Per aggirare questo problema, i ricercatori stanno sperimentando l'applicazione di un piccolo potenziale elettrico tra due elettrodi inseriti nel liquido del reattore in un dispositivo che hanno soprannominato "cella di elettrolisi microbica". Gli elettrodi possono quindi assumere il ruolo che il ferro stava assumendo nella reazione di Feammox.

Il team di Princeton sta lavorando con il ministero dell'ambiente cinese per sviluppare un prototipo di reattore per ridurre l'ammonio ei metalli pesanti nelle acque reflue. Stanno esplorando se la tecnologia potrebbe aiutare a contrastare l'eutrofizzazione, dove i nutrienti eccessivi nel deflusso danneggiano i fiumi, laghi e coste.

I ricercatori hanno anche scoperto che durante l'ossidazione dell'ammonio, il batterio A6 è anche in grado di rimuovere contemporaneamente tricloroetilene e tetracloroetilene, due inquinanti difficili da trattare spesso presenti nei siti inquinati. Il batterio doveva anche trasferire elettroni ad altri composti oltre al ferro come l'uranio e il rame. Nel caso dell'uranio, trasformandolo in una forma non solubile in acqua.

"Perché non ha bisogno di ossigeno, A6 potrebbe sopravvivere in luoghi in cui altri batteri potrebbero non sopravvivere, come nelle acque sotterranee contaminate, " dice Jaffe. "Combinalo con la sua versatilità nel risanamento di vari inquinanti e potrebbe diventare uno strumento molto importante per affrontare una serie di problemi ambientali".