In un piovoso sabato di ottobre, gli studenti laureati Arianna Sherman e Weitao Shuai hanno parcheggiato la loro auto vicino a un ponte su una strada rurale a Hillsborough, Carolina del Nord. In stivali di gomma, hanno guadato un ruscello fangoso per iniziare a indagare su come i rifiuti agricoli e una tempesta gigantesca possano aver interrotto un ecosistema.

Sherman e Shuai, entrambi membri del gruppo di ricerca di Peter Jaffe in ingegneria civile e ambientale, era venuto a studiare il ciclo dei nutrienti e l'inquinamento lungo il fiume Neuse a seguito dell'uragano Florence, una tempesta di settembre che ha inzuppato la Carolina del Nord orientale con più di 20 pollici di pioggia e ha portato a inondazioni quasi record lungo il fiume. Sherman e Jaffe avevano da poco concluso uno studio di due anni sulla Neuse, ma hanno esteso il loro progetto per esplorare gli effetti dell'uragano.

Gran parte della Neuse è fiancheggiata da allevamenti di maiali, e mentre una parte dei rifiuti degli animali viene trattata e utilizzata come fertilizzante, molti nutrienti in eccesso dai pozzi neri all'aperto delle fattorie si riversano nel fiume. Questo sovraccarico di nutrienti a base di azoto può portare a fioriture algali dannose che minacciano la qualità dell'acqua e distruggono l'ecosistema.

"Quando hai tutto questo allagamento, le pozze di rifiuti contenenti azoto vengono sciacquate, e tutti scendono a valle, ", ha detto Sherman. "Sapevamo che ci sarebbe voluto un po' di tempo prima che gli agricoltori rimettessero in funzione le loro operazioni" dopo la tempesta, lei ha aggiunto. "Con questo flusso di azoto che esce dai pozzi neri e poi non più carico di azoto per un periodo di tempo, volevamo vedere come avrebbe reagito il sistema".

Lavorando durante un temporale più piccolo un mese dopo l'uragano, i due studenti riempirono le provette d'acqua e spinsero un lungo tubo di metallo di 30 cm nel fango per raccogliere il terreno. Nel loro laboratorio a Princeton, Sherman sta esaminando i campioni per capire un processo chimico chiamato Feammox, che il team di Jaffe ha scoperto per la prima volta in una zona umida del New Jersey nel 2004. Jaffe e altri ora riconoscono Feammox come un potenziale passo avanti nell'eliminazione degli inquinanti dell'azoto.

Nella reazione di Feammox, alcuni batteri possono scomporre (ossidare) l'ammonio, un importante componente a base di azoto dei rifiuti di maiale. Questa reazione è un primo passo fondamentale nella conversione degli inquinanti azotati in azoto gassoso innocuo. criticamente, I batteri Feammox effettuano la reazione in assenza di ossigeno. Considerando che gli impianti di trattamento delle acque reflue di solito consumano molta energia forzando l'aria nelle acque reflue per facilitare la pulizia, Feammox ha il potenziale per rimediare all'inquinamento nel suolo e nelle acque sotterranee dove è disponibile poco ossigeno.

I suoli del fiume Neuse sono acidi e ricchi di ferro, fornendo le condizioni ideali per il processo Feammox, disse Jaffe, il William L. Knapp '47 Professore di Ingegneria Civile e direttore associato per la ricerca presso l'Andlinger Center for Energy and the Environment di Princeton. Feammox richiede un rifornimento periodico con ferro ossidato, o ruggine naturale, che assorbe un elettrone residuo durante il processo Feammox in una fase nota come riduzione. "È possibile che un grande evento di tempesta esponga ferro fresco, quindi abbiamo voluto esaminare se il processo viene ringiovanito dalle inondazioni." L'uragano Florence ha presentato "un'opportunità unica per verificarlo, " disse Jaffe.

Sherman e Shuai hanno raccolto campioni di suolo e acqua in sei siti lungo la Neuse e i suoi affluenti, compresa un'area a monte degli allevamenti di suini per studiare i livelli di inquinanti e i processi chimici che si verificano prima della forte contaminazione. Sherman sta analizzando il processo Feammox da ciascun sito misurando le concentrazioni di ammonio e altri composti contenenti azoto, così come i livelli di diverse forme di ferro.

Il sequenziamento del DNA estratto dal terreno rivelerà quali tipi di batteri sono presenti; il lavoro precedente del laboratorio ha dimostrato che un ceppo della famiglia delle Acidimicrobiaceae è responsabile della reazione di Feammox. Per conoscere gli effetti delle inondazioni, i ricercatori confronteranno i campioni post-uragano con quelli raccolti quattro mesi prima in condizioni più tipiche.

Sherman sta testando se i batteri Feammox della Neuse possono, oltre a modificare il ferro, ridurre chimicamente una forma di selenio che spesso contamina le aree agricole. Il selenio è un minerale essenziale aggiunto come supplemento ai mangimi per animali. L'eccesso di selenio si riversa negli ecosistemi acquatici, dove può raggiungere livelli tossici. Il processo Feammox potrebbe essere in grado di convertire i composti del selenio in forme molto meno mobili nell'ambiente.

"Il nostro approccio è guardare un processo molto fondamentalmente in condizioni di laboratorio controllate, e poi vediamo se possiamo andare sul campo e misurarlo, " disse Jaffe. "Questo è il modo in cui andiamo dal laboratorio al campo, e infine alla scala dello spartiacque."

Mentre raccoglievano campioni di suolo e acqua, Anche Sherman e Shuai hanno lasciato qualcosa dietro:hanno inserito piccoli elettrodi nel terreno in ogni sito di campionamento. Nel lavoro pubblicato nel numero di dicembre 2018 di Microbiologia applicata e ambientale , Il team di Jaffe ha scoperto che i batteri Feammox possono colonizzare tali elettrodi, con la fine positiva, o anodo, in sostituzione di composti di ferro ossidato. Se gli organismi nella Neuse possono eseguire Feammox anche sugli elettrodi, ciò aumenterà ulteriormente la prospettiva di utilizzare i batteri per ripulire l'inquinamento da azoto senza la necessità di fonti di ferro.

I ricercatori sono recentemente tornati per recuperare gli elettrodi, e prevediamo di ricampionare ogni sito questa primavera. Le loro analisi in corso mostreranno gli effetti a lungo termine dell'uragano sull'inquinamento e sulla vita microbica lungo la Neuse, rivelando modi per ripulire tali ecosistemi critici.