Særlig bakterie kan være nøgle til rensning af drikkevand

I Danmark er drikkevand traditionelt blevet renset med mikrobielle processer, hvor bakterier fjerner uønskede stoffer.

På den måde har vi kunnet undgå at anvende kemi, som det sker mange andre steder i verden.

Vores måde at styre driften på danske vandværker har i vid udstrækning været empirisk med minimal viden om, hvilke funktioner de forskellige mikroorganismer, der er aktører i renseprocessen, har.

Med andre ord: Vi har vidst, hvad der virker, når vi renser vores drikkevand, men ikke så meget om, hvorfor det virker.

Det var derfor en stor dag for min forskergruppe og jeg, da vi fandt afgørende bevis for, at en nyopdaget bakterie kaldet comammox Nitrospira er væsentlig for den nitrifikation, der sker, når vandværkerne renser grundvand.

Ny viden: Skadelig ammoniak fjernes i ét trin

I nitrifikationsprocessen fjerner man ammoniak – der både er skadeligt for miljøet og dårligt for drikkevandets stabilitet – fra grundvandet i store sandfiltre, før det ledes ud til din og min vandhane.

Ammoniak er ikke i sig selv sundhedsskadeligt for mennesker, i de mængder der findes i vores grundvand.

Men når ammoniak optræder, kan det på sigt forårsage en 'mikrobiel eftervækst', som kan lede til udviklingen af andre bakterier, som er dårlige for os.

I de sidste 100 år har man troet, at nitrifikation udelukkende sker ved hjælp af to forskellige specialiserede grupper af mikroorganismer – ammoniak-oxiderende bakterier og nitrit-oxiderende bakterier – der varetog hver sin del af processen.

Men i slutningen af ​​2015 offentliggjorde både min og tre andre forskningsgrupper næsten samtidigt observationer af ​​en hidtil ukendt proces kaldet 'complete ammonia oxidation' eller 'comammox'.

I den proces har en mikroorganisme af slægten Nitrospira evnen til – i et eneste trin – at varetage hele processen ved at oxidere ammoniak hele vejen til nitrat (se forskningsartiklerne her og her).

Rensningsprocessen kan altså foretages af én bakterie frem for to, der skal 'vente' på hinanden. Og det gør det rent ud sagt nemmere at rense vores drikkevand.

Opgaven er så at finde ud af, under hvilke betingelser Nitrospira bedst udfører sit arbejde – og om det er nogle betingelser, vi kan fremme. Det arbejde er vi stadig i gang med.

Vi opdagede 'comammox' under en stor forskningsindsats, hvor vi kortlagde det mikrobielle samfund i de rensende sandfiltre på forskellige danske vandværker.

LÆS OGSÅ: Gammelt beton skal rense regnvand

Bakterien i sit naturlige miljø

Sammen med min gruppe af forskere på DTU Miljø og forskergrupper på SDU og KU var det næste skridt at påvise, at comammox Nitrospira ikke blot eksisterer, men at bakterierne er aktive og har en væsentlig rolle i det naturlige miljø.

Dette er ikke nogen enkel opgave. Det er vanskeligt at afdække den enkelte mikrobes rolle i et naturligt miljø, der omfatter flere tusinde mikrober og et utal af processer og interaktioner, der skal undersøges med de rigtige målinger.

Vi valgte derfor at tage sandfilter-materiale med hele dets mikrobiologiske miljø intakt fra vandværket til vores laboratorie, hvor vi bevarede miljøforholdene stort set uændret.

Under disse forhold og med teknikken 'Stable Isotope Probing' var vi i stand til at identificere, hvilke bakterier der er aktive under forskellige betingelser.

Vi kunne se, at når ammoniak var den primære energikilde, var Nitrospira de mest aktive bakterier – mindst 10 gange mere aktive end ​​de typiske ammoniak-oxiderende bakterier.

Derudover udgjorde Nitrospira op til 20-50 procent af det samlede mikrobielle samfund.

Vi har dermed fået et afgørende bevis på, at comammox Nitrospira udnytter de påviste egenskaber i deres naturlige miljøer i sandfiltrene og driver nitrifikationen i de undersøgte sandfiltre fra vandværkerne.

Kort sagt: Hvor vi før blot vidste, at bakterien var til stede, ved vi nu, hvad den gør i sandfiltrene.

Vi er glade for at være de første til at vise, at comammox ikke kun er en underlig videnskabelig observation, men at disse bakterier har en relevant vigtig funktion i sandfiltrene.

Denne mikrobielle forbrænding er også relevant i andre miljøer såsom spildevandsrensning og landbruget, hvor der også bliver fjernet ammoniak.

LÆS OGSÅ: Intet vand i Månen

Meget skal stadig undersøges

Den nye bakterie dominerede i prøver fra alle danske vandværker, vi har undersøgt. Det understøtter, at den nye bakterie ikke kun forekommer i, men kan være afgørende for behandlingen af drikkevand.

Vi ved dog endnu ikke, hvilke betingelser der er væsentlige for bakteriens succes. Den dominerer ikke i vandrensningssystemer i andre dele af verden – og i de danske systemer optræder den ofte sammen med andre nitrificerende mikrober.

De er formentlig mindre vigtige i danske vandrensningssystemer, men de kan sagtens spille en betydelig rolle, som vi endnu ikke kender.

En fuld og effektiv nitrifikation er afgørende i behandlingen af drikkevand. Ellers kan der ske ophobning af nitrit i vandet, hvilket vi ikke ønsker.

I modsætning til ammoniak (som forklaret ovenfor) er nitrit nemlig sundhedsskadeligt selv i små mængder. Den danske grænseværdi for nitrit i drikkevandet er 0.01 mg/L.

Derfor er det vigtigt, at processen kan ske med blot en enkelt bakterie og ikke som tidligere i to adskilte processer, der var afhængige af at 'vente' på hinanden.

Bæredygtigt fokus gør Nitrospiras rolle endnu vigtigere

Vi er ikke i tvivl om, at det med verdens stigende fokus på bæredygtighed er væsentligt at kunne tilbyde rensning af drikkevand uden anvendelse af kemikalier.

Det kræver dog, at vi kan dokumentere og beskrive effekterne af den mikrobiologiske vandrensning, så vandværker i ind- og udland kan se, at denne nitrifikationsproces er både mere effektiv, robust og pålidelig.

Vi vil også gerne vise det samme for de mange andre processer, der katalyseres af mikrober i vores sandfiltre.

Derfor arbejder vi aktivt på at kunne fortsætte vores arbejde med at afdække og opnå en bedre forståelse af økologien af comammox Nitrospira, mens vi også sigter mod at kunne kortlægge rollen for alle de andre medlemmer af det mikrobielle samfund i de filtre, der er involveret i at gøre drikkevandet klar til dig og mig.

Forskergruppen bag resultaterne består af Barth F. Smets, Hans-Jørgen Albrechtsen, Arda Gülay, Jane Fowler og Karolina Tatari, alle fra DTU. Fra Syddansk Universitet er Bo Thamdrup med, mens Søren J. Sørensen og Waleed Abu Al-Soud er med fra Københavns Universitet.

Det videnskabelige arbejde er finansieret af Det Danske Strategiske Forskningsråd og Villum Fonden.

LÆS OGSÅ: Isen til vands styrer drivhusgasserne til lands

LÆS OGSÅ: Vand, vand og atter vand