Anammoxbacterie haalt stroom uit afvalwater

De anammoxbacterie zuivert met stikstof vervuild afvalwater zonder dat hij daar zuurstof bij nodig heeft. Dat is op zich al een bijzondere eigenschap in de wereld van de micro-organismen, maar nu hebben onderzoekers ontdekt dat deze anammoxbacterie ook nog stroom op kan wekken.
Wereldwijd gebruiken waterzuiveringen de anammoxbacterie om ongewenste stikstofmoleculen uit het afvalwater te halen.

Bacteriën zijn ontzettend veelzijdige werkers, die overal in de natuur belangrijke taken hebben. Het overgrote deel van deze bacteriën heeft wel zuurstof nodig om dit werk te doen. Er zijn een paar uitzonderingen, zoals de anammoxbacterie. Dit micro-organisme leeft in afvalwaterzuiveringen over de hele wereld en verwijdert daar vervuilend stikstof, voornamelijk ammonium (NH4+), uit het zuurstofarme water. Een bijzonder kunstje, maar het is blijkbaar niet het enige wat deze bacterie kan. Wetenschappers van de Radboud Universiteit Nijmegen hebben hem nu ook nog zover gekregen om een klein beetje stroom op te wekken uit ammonium.

De anammoxbacterie werd voor het eerst ontdekt bij de voorganger van chemiebedrijf DSM, in de Gist-Brocadesfabriek in Delft. Hier wilden ze graag de stank van het afvalwater verminderen, en daarom voegden ze nitraat (NO3-) toe. “Dit bleek nieuwe processen in werking te zetten die de ingenieurs niet herkenden”, vertelt Mike Jetten, inmiddels hoogleraar microbiologie aan de Radboud Universiteit Nijmegen. “Om te achterhalen wat er gebeurde schakelden ze onze groep bij de TU Delft in. Wij vonden de anammoxbacterie.”

Unieke eigenschappen

Jetten was meteen geïntrigeerd door de bijzondere bacterie: “Hij had veel unieke eigenschappen die ik graag wilde begrijpen. Inmiddels ben ik daar al zo’n vijfentwintig jaar mee bezig.” Al die jaren is duidelijk geworden dat de bacterie metaaloxides kan gebruiken om ammonium om te zetten in stikstofgas. Bij dit proces komen waterstofatomen en elektronen vrij. “Vooral de elektronen moet de bacterie ergens kwijt”, vertelt Jetten. “Als er nitriet in het water zit kan hij dat pakken en de elektronen gebruiken om het nitriet om te zetten in stikstofgas en water.”

Uitgelicht door de redactie

Geesteswetenschappen
‘We moeten ervoor waken dat we coronamoe worden’

Informatica
‘Laat zien wat er binnen de coronaregels nog wel mag’

Geneeskunde
Van ontstekingsremmers tot bloedplasma

Toen Jetten en zijn team dit proces hadden ontrafeld zag hij meteen een kans: “We bedachten dat we de anammoxbacterie misschien wel zover konden krijgen om die elektronen af te geven aan iets anders dan nitriet, bijvoorbeeld aan een elektrode. Dan kun je het proces gebruiken om stroom op te wekken.”

Kieskeurig

Dit idee bleek makkelijker gezegd dan gedaan. Daarom schakelde Jetten hulp in van onderzoekers uit de Verenigde Staten en Saudi-Arabië, die ervaring hadden met het groeien van bacteriën op elektroden. “Anammox bleek nogal kieskeurig over het soort elektrode dat we gebruikten”, zegt Jetten. Naast de elektrode bleken ook de omstandigheden belangrijk. “Als de bacterie de keuze heeft, zal hij altijd zijn elektronen gebruiken om nitriet om te zetten. Dit proces kost weinig extra energie, terwijl het afgeven van de elektronen aan de elektrode veel langzamer en moeizamer is.”

Pas toen de onderzoekers de omstandigheden zo aanpasten dat anammox zijn elektronen echt alleen kwijt kon aan de elektrode, lukte het. “De bacterie wil de elektronen altijd op de een of andere manier kwijtraken”, legt Jetten uit. “Als hij de elektronen niet kwijt kan, stokt de reactie en groeit hij niet. Dus zo konden we anammox uiteindelijk dwingen om toch voor de elektrode te gaan.”

Klein ledlampje

Een mooi resultaat, maar een echt grote stroom loopt er niet. “Het proces verloopt ontzettend langzaam”, vertelt Jetten. “Nog langzamer dan de reactie met nitriet – en dat gaat al niet snel.” In een week verwerken de bacteriën slechts een klein beetje ammonium. Jetten: “Misschien krijgen we op deze manier net genoeg stroom om een heel klein ledlampje te laten branden.”

De anammoxbacterie groeit op een elektrode in afvalwater en zet ammonium om in stroom.
Dario Shaw KAUST, met toestemming

Maar de hoogleraar ziet zeker nog ruimte voor verbetering, want het proces is wel heel efficiënt: “Wij vangen negentig procent van de vrijgekomen elektronen in de elektrode, de rest gebruikt de bacterie om te groeien.” De vraag is of dit systeem op grotere schaal ook zulke resultaten kan boeken, maar dit is in ieder geval een goede basis. De collega’s uit Saudi-Arabië zijn zelfs al aan het opschalen. “Ik verwacht zeker op korte termijn geen enorme anammox-elektriciteitssystemen”, vertelt Jetten. “Als het al een toepassing krijgt, zal het vooral op kleine schaal zijn. Bijvoorbeeld bij kleine, lokale afvalwaterzuiveringen.”

Zeebodem en raketbrandstof

Ondertussen blijft Jetten de anammoxbacterie onderzoeken. Op dit moment kijkt hij bijvoorbeeld naar de rol van deze bacterie in de zeebodem. “We zien in de grond langs de kust vaak hoge concentraties ammonium, en we denken dat de anammoxbacterie een rol speelt in het opruimen van deze stoffen in de zeebodem. Op sommige plekken gebeurt dit echter te weinig, en dat zorgt ervoor dat de kwaliteit van het zeewater afneemt. Samen met collega’ s van de Universiteit Utrecht gaan wij gaan onderzoeken hoe dit kan gebeuren.”

Maar wellicht is ook een meer praktische toepassing van de bacterie mogelijk. “Als anammox ammonium omzet is een van de tussenproducten die hij maakt hydrazine – oftewel raketbrandstof. Een van mijn collega’s onderzoekt nu of we deze bacterie zover kunnen krijgen dat hij dit voor ons gaat produceren, of dat we wellicht enzymen uit de anammox kunnen halen om andere bacteriën zover te krijgen. Dan kunnen we raketbrandstof en elektriciteit duurzaam uit afvalwater maken.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink, en hoort bij het thema Duurzaamheid vergroten op Biotechnologie.nl.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden