Zijn micro-organismen de toekomst voor het zuiveren van drinkwater?

Zijn micro-organismen de toekomst voor het zuiveren van drinkwater?

“Drinkwater soms niet zo zuiver als gedacht”

Vandaag de dag vinden we het in onze Westerse wereld niet meer dan normaal dat er drinkbaar water uit onze kranen stroomt. Maar is dit drinkwater ook altijd zuiver? Door het grootschalige gebruik van pesticides en geneesmiddelen in onze maatschappij en de ontwikkelijking van nauwkeurigere analytische methodes worden er steeds meer restanten van deze substanties in het drinkwater gedetecteerd. Huidige zuiveringsinstallaties zijn niet ontworpen om dergelijke micropolluenten, substanties die in zeer lage concentraties voorkomen, te verwijderen waardoor ze nog in het drinkwater aangetroffen worden. Welke technieken kunnen ontwikkeld worden om dit probleem aan te pakken? Zijn micro-organismen misschien de toekomst voor het verwijderen van micropolluenten uit het drinkwater?

Huidige zuiveringstechnieken niet voldoende

Door de ontwikkeling van nauwkeurigere analytische methodes werden de laatste jaren gedetailleerdere gegevens verzameld over het drinkwater in Vlaanderen. Hieruit blijkt dat oppervlaktewater en grondwater steeds meer micropolluenten bevatten. Deze polluenten komen vervolgens in het drinkwater terecht in concentraties hoger dan de limiet van 0.1 µg/L, opgelegd door de EU. Op dit moment wordt gebruik gemaakt van granulaire actieve koolfilters om substanties met dergelijke lage concentraties te verwijderen uit het drinkwater. Maar deze techniek is duur en verplaatst de polluent enkel van het water naar de actieve koolfilter in plaats van het effectief af te breken tot CO2 en H2O of andere onschadelijke stoffen. Er is dus vraag naar een duurzamere methode. Hiervoor wordt gekeken naar microbieel gecontroleerde processen aangezien deze meestal duurzamer zijn dan physico-chemische reacties. Voorbeelden van microbieel gecontroleerde processen vinden we zowel terug in de natuurlijke omgeving als bij technische toepassingen. Denk maar aan de microbiële gemeenschap in onze darmen of aan fermentatieprocessen gebruikt voor het brouwen van bier. Wanneer micro-organismen ingezet worden voor het verwijderen van contaminatie, zoals micropolluenten, dan spreken we over bioremediatie.

Bioremediatie

Micro-organismen kunnen het vermogen hebben om polluenten af te breken tot onschadelijke substanties of te mineraliseren tot energie, koolstof (CO2) en nutriënten (N, P, H2O) die de ze kunnen gebruiken voor hun groei. Micro-organismen kunnen dus ingezet worden voor remediatie, het verwijderen van contaminatie. We spreken dan van bioremediatie. We kunnen drie klassen van bioremediatie onderscheiden. Een eerste klasse is het monitoren van natuurlijke afbraak. Hiervoor moeten er intrinsiek al micro-organismen aanwezig zijn op de site die de presente contaminatie kunnen afbreken of transformeren binnen een redelijke tijdspanne. Wanneer de natuurlijke systemen onvoldoende zijn voor een snelle afbraak van de contaminant, kan biostimulatie gebruikt worden. Een voorbeeld van biostimulatie, de tweede klasse van bioremediatie, is het toevoegen van zuurstof onder de watertafel om aerobe processen te bevorderen. Echter, wanneer de micro-organismen die verantwoordelijk zijn voor de degradatie van een doelwitpolluent niet aanwezig zijn op de site wordt gebruik gemaakt van bioaugmentatie. Deze derde klasse van bioremediatie is een biotechnologische toepassing waarbij een polluentdegraderende bacterie geïntroduceerd wordt in vervuilde bodem of water, enz. Het systeem waarin deze bacteriën worden aangebracht bevat reeds een microbiële gemeenschap. Het succes van de bioaugmentatie hangt dus grotendeels af van de mogelijkheid van de geïnjecteerde bacterie om de competitie met de inheemse gemeenschap voor voedingsstoffen en plaats in het systeem te overleven. De selectie van de bacterie voor de bioaugmentatie mag vervolgens niet enkel gebaseerd zijn op de polluentdegradatiecapaciteit van de bacterie maar er moet ook gekeken worden naar de manier waarop de bacterie zal interageren met de bestaande bacteriële gemeenschap.

Bioaugmentatie van zandfilters

Voor het zuiveren van drinkwater wordt vaak gebruik gemaakt van zandfilters. Rond de zandkorrels van deze filters zijn reeds biofilms gevormd van aanwezige bacteriële gemeenschappen. Een biofilm, de meest dominante levensvorm van bacteriën, is een sterk georganiseerde en samenhangende gemeenschap van meestal meerdere microbiële soorten, die zich hechten op een biologisch of inert oppervlak. Deze micro-organismen zijn verankerd in een zelf geproduceerde matrix van extracellulaire polymere substanties. Maar helaas zijn de micro-organismen die verantwoordelijk zijn voor de afbraak of de mineralisatie van de micropolluenten zelden dominant genoeg aanwezig in de bacteriële gemeenschap van de zandfilters. Bijgevolg kan bioaugmentatie van zandfilters met bacteriestammen die pesticiden en andere micropolluenten kunnen degraderen, een veelbelovende strategie zijn voor het verbeteren van de verwijdering en de afbraak van micropolluenten. Er zijn veel succesvolle voorbeelden gekend van bioaugmentatie in de bodem, maar onderzoek naar het gebruik van bioaugmentatie voor drinkwatertoepassingen is nog zeer gelimiteerd. Er moet onderzocht worden hoe de aangebrachte bacterie gaat interageren met de reeds bestaande biofilm. Zal de bacterie deze biofilm kunnen binnendringen en kunnen overleven in de voedselarme condities van de zandfilter zonder het vermogen om de micropolluent af te breken te verliezen?

Afbraakpolluent van dichlobenil in drinkwater

Dichlobenil is een wereldwijd gebruikt herbicide dat vooral gebruikt wordt in particuliere tuinen, in kwekerijen, aan spoorlijnen en snelwegen, enz. Het belangrijkste afbraakproduct van dit herbicide is 2,6-dichloorbenzamide, ook wel BAM genoemd. BAM wordt vaak aangetroffen in het drinkwater met concentraties boven de limiet van 0.1 µg/L, opgelegd door de EU. De bacteriestam Aminobacter sp. MSH1 is in staat om BAM te mineraliseren bij ecologisch relevante concentraties tot onder de grens van 0.1 µg/L, waardoor MSH1 een hoopvolle kandidaat is voor bioaugmentatie van zandfilters van drinkwater zuiveringsinstallaties als een kosteneffectief en duurzaam alternatief voor granulaire actieve kool. Maar het succes van deze bioaugmentatie hangt af van het vermogen van MSH1 om de inheemse bacteriële gemeenschap effectief binnen te dringen en om te overleven in de voedselarme condities van de zandfilter. Om het succes van de bioaugmentatie te kunnen voorspellen is er inzicht nodig in de belangrijkst processen tijdens de overleving van MSH1 wanneer deze de zandfilteromgeving binnen dringt. Zo toonden we aan dat de MSH1 populatie gebruikt voor de bioaugmentatie uit twee subpopulaties bestaat. Een subpopulatie die BAM kan mineraliseren tot CO2  en H2O en een subpopulatie die BAM enkel omzet tot zijn volgend afbraakproduct, 2,6-dichloorbenzoëzuur. Onder de voedselarme condities van de zandfilters zullen de aanwezigheid van AOC en BAM grotendeels bepalen in welke verhouding beide subpopulaties voorkomen. Daarnaast toonden we aan dat MSH1 het best geïnoculeerd kan worden in een zandfilter die al bezet is door een biofilm van een bacteriële zandfiltergemeenschap. Er zal namelijk een coöperatie optreden tussen deze zandfilterbacteriën en MSH1. Ze halen elk hun voordeel uit elkaars aanwezigheid.

Dit onderzoek met de bacteriestam Aminobacter sp. MSH1 op laboschaal heeft ons wat nieuwe inzichten gegeven, maar er zijn hoogstwaarschijnlijk verschillen tussen de resultaten van de proeven uitgevoerd in het labo en de resultaten verkregen uit een zandfilter in een zuiveringsinstallatie te verwachten. Voordat we op de vraag of micro-organismen de toekomst zijn voor het verwijderen van micropolluenten uit het drinkwater kunnen antwoorden, moet er nog heel wat verder onderzoek gedaan worden.