Chiunque viva ad Okinawa, un'isola subtropicale del Giappone, ha un apprezzamento dell'intensità della sua industria di allevamento di suini. Le fattorie hanno un grande effetto sull'economia e la cultura dell'isola. Secondo l'ufficio di gabinetto del Giappone, a partire dal 2018, erano oltre 225, 000 maiali a Okinawa. Il maiale è un alimento base della dieta locale e si trova in molti piatti nei ristoranti tradizionali. Ma la presenza degli allevamenti di suini ha un altro, meno gradito, impatto:il tipo di odore. Guida attraverso alcune aree particolarmente piene di fattorie con i finestrini dell'auto abbassati e sei sicuro di essere pieno di rimpianti.

Questo odore è, almeno in parte, causato da un sottoprodotto dell'allevamento di suini. Attraverso Okinawa, grandi quantità di acque reflue sono prodotte dalle aziende agricole. Ora, i ricercatori della Biological Systems Unit dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno creato un nuovo sistema per il trattamento di queste acque reflue, che hanno testato con successo in un allevamento di suini locale a Okinawa.

"Il nostro nuovo sistema utilizza due camere diverse, " ha spiegato la dott.ssa Anna Prokhorova, autore principale di un articolo recentemente pubblicato su Tecnologia delle risorse biologiche . "In una camera, le acque reflue dei maiali a piena forza vengono trattate per la rimozione dell'odore, patogeni, e materia organica, mentre nell'altra camera, nitrati e fosfati in eccesso vengono rimossi dalle acque reflue già trattate attraverso il tradizionale sistema di aerazione. Al meglio delle nostre conoscenze, questo è il primo sistema in grado di trattare con successo due diversi tipi di acque reflue contemporaneamente."

Questo è in netto contrasto con il tradizionale sistema di aerazione attualmente utilizzato dagli agricoltori che tratta principalmente la materia organica nelle acque reflue e converte anche l'ammonio presente in nitrato ma non tratta ulteriormente il nitrato. In Giappone, il limite di scarico dei nitrati per l'industria zootecnica sarà presto abbassato a un quinto del livello attuale (che oggi è di 500 milligrammi di nitrato-azoto per litro) per essere in linea con altre industrie. È probabile che oltre il 35% delle fattorie di Okinawa supererà questo cambiamento imminente.

"Questo è di enorme preoccupazione perché la contaminazione da nitrati può avere impatti disastrosi sia sulla salute umana che sull'ambiente, " ha detto il dottor Mami Kainuma, capogruppo dell'Unità di Sistemi Biologici. "Quando il nitrato viene ingerito dalle persone, viene convertito in nitrito, che influisce sulla capacità del sangue di trasportare ossigeno e può portare a metaemoglobinemia o sindrome del bambino blu".

Questo nuovo sistema si basava sull'esistenza di una ricca comunità di batteri per iniziare il processo. Nella prima camera, la camera dell'anodo, i batteri hanno reagito con le molecole organiche presenti, rilasciando elettroni nel processo. Questi elettroni sono stati poi trasferiti alla seconda camera, la camera catodica, tramite gli elettrodi. La camera catodica conteneva acque reflue che erano già passate attraverso il processo di aerazione e quindi avevano alti livelli di nitrati. I batteri sulla superficie della camera catodica accettano questi elettroni e li utilizzano per alimentare la conversione del nitrato in gas azoto. Il vantaggio di questo sistema è che la rimozione dei nitrati può avvenire in acque reflue con basso contenuto di materia organica, come l'acqua già aerata.

Dopo aver provato con successo questo sistema in laboratorio, i ricercatori hanno allestito un esperimento pilota iniziale in uno degli allevamenti di suini nel Centro di ricerca per il bestiame e le praterie della prefettura di Okinawa, lavorando con l'Okinawa Prefecture Environment Science Center e Okidoyaku. Lì avevano accesso sia al serbatoio di aerazione che alle acque reflue grezze. Il progetto è stato finanziato dal governo della prefettura di Okinawa e monitorato per oltre un anno. A causa del ruolo fondamentale svolto dalle comunità batteriche, i ricercatori hanno anche analizzato quali specie erano presenti, come la composizione della comunità è cambiata nel tempo, e quali specie erano responsabili di ogni passaggio.

L'esperimento a lungo termine ha mostrato che i batteri dominanti che eliminano i nitrati erano quelli che possono ricevere elettroni per crescere. Durante il trattamento, la loro attività è stata stimolata dal potenziale applicato all'elettrodo in un intervallo di -0,4 V – -0,6 V, che ha portato a un trattamento più efficiente delle acque reflue. Tali comunità batteriche sono cresciute di oltre il 60% in totale nella camera catodica, e ha continuato a mostrare una forte attività, portando ad un alto tasso di riduzione dei nitrati. Un altro grande vantaggio era che, come la materia organica e, in particolare, gli acidi grassi volatili sono stati degradati nelle acque reflue grezze, l'odore si è attenuato, e il numero di agenti patogeni ridotto.

"Siamo molto soddisfatti dei risultati finora. È molto più efficiente di quanto ci aspettassimo, " ha detto il dottor Prokhorova. "Questo sistema è scalabile, basso costo, facile da montare, e bassa manutenzione. Siamo fiduciosi che, entro i prossimi anni, sarà utilizzato dagli agricoltori di Okinawa e di altre località con problemi simili, come le comunità rurali del Giappone continentale e del sud-est asiatico".