De kringloop van het leven
Stikstofgas (N2) vormt het grootse deel van onze atmosfeer, zo’n 78%. In die vorm is het echter vrijwel nutteloos voor de meeste organismen. Om bruikbaar te zijn moet het eerst door stikstof-fixerende bodemmicroben omgezet worden naar ammonium (NH4+). Pas daarna kunnen planten het opnemen en gebruiken in organische verbindingen zoals suikers, eiwitten en DNA. Planten worden vervolgens door dieren opgegeten en zo circuleert stikstof (als onderdeel van eiwitten e.d.) door de voedselketen, om via ontlasting weer in de bodem te belanden. Hier wordt het door bodemmicroben terug in anorganische staat gebracht, bijvoorbeeld weer naar ammonium. Zo kan het weer opnieuw door planten worden opgenomen, of door andere bodemmicroben verder verwerkt worden tot stikstofgas dat weer in de atmosfeer terecht komt.
Anammox – moeilijke naam voor nuttige bacteriën
Aanvankelijk werd gedacht dat het circuleren van ammonium naar stikstofgas alleen bereikt werd via een twee-stappenproces. Eerst nitrificatie: het omzetten van ammonium naar nitriet (NO2-) en daarna naar nitraat (NO3-). Ten tweede denitrificatie: het omzetten van nitraat naar stikstofgas. Al in de 70er jaren werd een alternatieve route voorgesteld waarbij bepaalde bacteriën ammonium direct om zouden zetten naar stikstofgas en het nitrificatie/denitrificatieproces omzeilden. Het bestaan van deze route werd in de 90er jaren door Nederlandse wetenschappers bewezen en het kreeg de naam anammox (anaerobe ammonium oxidatie). Hoewel lange tijd onbekend, blijkt dat anammox verantwoordelijk is voor wel 50% van alle stikstofgas productie uit de zeebodem. Daarnaast biedt het uitkomst bij rioolwaterzuivering. Vergeleken met de gebruikelijke aerobe processen die hierbij plaatsvinden, is anammox namelijk goedkoper en milieuvriendelijker. De reden hiervoor? Anammox is een anaeroob proces. Dit betekent dat er niet actief zuursof toegevoegd hoeft te worden, een kostbare taak wanneer het op industriële schaal gedaan wordt.
Biologische batterijen
Recent publiceerde wetenschappers van de Radboud Universiteit Nijmegen in samenwerking met buitenlandse collega’s nieuwe bevindingen op het gebied van anammox in het tijdschrift Nature Communications. Onder normale omstandigheden gebruiken anammox bacteriën nitriet als opvang voor elektronen die vrijkomen bij het anammox proces. Dit vindt in de bacteriecel (binnen het celmembraan) plaats. Dit onderzoek liet zien dat wanneer nitriet ontbreekt, en bacteriën in plaats daarvan een externe opvang voor de vrijkomende elektronen geboden wordt, ze in staat zijn de elektronen buiten hun cellen te transporteren. Door deze externe opvang in de vorm van een elektrode te realiseren, kan eigenlijk een soort biologische batterij opgezet worden. In de praktijk worden de bacteriën in een met vloeistof gevuld vat gekweekt waarin twee onderling verbonden elektroden aanwezig zijn. Door een klein beetje stroom aan het systeem toe te voegen ontstaat er een positieve elektrode (anode) en een negatieve elektrode (kathode). De anode vangt dan de vrije elektronen (die een negatieve lading hebben) afkomstig van de bacteriën op, en dit leidt tot doorlopende stroomproductie. Doorlopend, tenminste, zolang er ammonium in de vloeistof aanwezig is voor de anammox reactie.
Toekomst
Hoewel rioolwaterzuivering nog grotendeels via het nitrificatie/denitrificatieproces loopt, zijn er in Nederland ook al zuiveringsinstallaties die gebruik maken van het ‘normale’ anammoxproces (zonder stroomproductie). Mogelijk worden al deze installaties, als de methode geperfectioneerd wordt, vervangen door stroomopwekkende biologische batterijen. Duurzame waterzuivering en gratis stroom in één klap.