Bijzondere jongen

Hij verwijdert ammonium uit afvalwater, zonder gebruik van zuurstof. En dat is niet het enige waardoor de anammox-bacterie opvalt. `Alles is vreemd aan hem.'

MARC STROUS schuift een kap voor het glazen reactorvat weg. Het dichte vat bevat twee liter smerig afvalwater dat rijk is aan ammonium. Een mixer roert het water voortdurend rond. Strous wijst naar de roodbruine vlokken die door het water wervelen. ``Dat zijn ze'', zegt de ingenieur van het Kluyver Instituut voor Biotechnologie, een onderdeel van de Technische Universiteit Delft. De vlokken blijken samengeklonterde bacteriën. ``Bijzondere jongens, want ze zetten ammonium rechtstreeks om in stikstof zonder dat ze daarbij zuurstof nodig hebben.'' Strous schuift de kap weer terug. ``Ze zijn gevoelig voor licht. Ik heb het vat wel eens op de vensterbank gezet, maar dan doen de bacteriën het beduidend minder.''

De bijzondere bacterie, waarover Strous vorige week in Nature publiceerde, kan nuttig zijn bij de verwijdering van ammonium uit afvalwater. Volgens Strous moet het mogelijk zijn om 50 tot 90 procent te besparen op de huidige kosten. ``Voor heel Nederland gaat het dan om tien tot twintig miljoen gulden'', zegt hij.

De opgespoorde bacterie geniet een twijfelachtige reputatie. Volgens sommige microbiologen bestaat hij niet eens. Alle tot op heden bekende bacteriën die ammonium om kunnen zetten hebben daarbij namelijk zuurstof nodig. De `anammox-bacterie' (anammox staat voor anaerobe ammonium oxidatie) niet. En dat is ongewoon. Nog steeds zijn er microbiologen die denken dat ammonium helemaal niet omgezet kan worden zonder zuurstof. ``Die gedachte vind je in sommige leerboeken nog terug. Maar dat dogma is nu definitief omvergeworpen'', aldus Strous, die er als eerste in slaagde om de anammox-bacterie onder de microscoop in beeld te krijgen.

Uit zijn analyses blijkt hoe opmerkelijk deze eencellige is. Hij verenigt kenmerken in zich uit alle drie de groepen waarin de levende organismen worden verdeeld: de Bacteria, de Archaea en de Eukarya. Zijn biochemische reacties lijken op die van een bacterie. Maar de celwand van de anammox-bacterie heeft de opbouw van een Archaea (een groep eencelligen die gedijt in extreme milieus, bijvoorbeeld daar waar het buitengewoon heet of zout is). Zijn voortplanting daarentegen verloopt via knopvorming en dat is weer typisch voor sommige gisten. Deze eencelligen behoren tot de Eukarya, de groep waartoe alle hogere organismen behoren. Eukarya kenmerken zich onder andere doordat het erfelijk materiaal netjes in een celkern ligt opgeslagen. Bij de anammox-bacterie bevindt het DNA zich ook in een apart compartiment.

Strous: ``Alles is vreemd aan deze bacterie. We konden hem eerst nergens plaatsen.'' Op basis van een genetische analyse hebben de Delftse biotechnologen de anammox-bacterie nu ondergebracht bij de Planctomyceten, een groep bacteriën die de laatste jaren in steeds meer ecosystemen worden aangetroffen. Maar ook daar is het een buitenbeentje. ``Hij behoort tot de Planctomyceten, dat is zeker'', aldus Strous. ``Maar de bacteriën in deze groep liggen evolutionair gezien ver uit elkaar. Sommige microbiologen beweren dat de Planctomyceten een versnelde evolutie hebben doorlopen en daarom snel uit elkaar gedreven zijn. Dat klinkt interessant, maar volgens ons stuiten we hier gewoon op een enorm gat in onze kennis. We weten nog zo weinig over bacteriën in het algemeen. Er zijn nog maar 15.000 soorten in kaart gebracht, terwijl er zeker een miljoen bestaan.''

ROTTE EIEREN

Het onderzoek naar de anammox-bacterie begon zo'n tien jaar geleden. Arnold Mulder, een onderzoeker bij Gist-Brocades, ontdekte dat er in een anaerobe proefopstelling ammonium verdween. ``Gist-Brocades was geïnteresseerd in het proces'', weet dr. Mike Jetten, die sinds 1994 bij het onderzoek betrokken is. ``Ze dachten het misschien te kunnen gebruiken bij de anaerobe verwijdering van sulfide uit hun afvalwater. Je kunt die verwijdering ook mèt zuurstof uitvoeren, maar dan heb je kans dat er waterstofsulfide vrijkomt. Dat stinkt naar rotte eieren en die stank wilde het bedrijf niet op zijn naam hebben. De fabriek ligt midden in de stad en had al geen beste reputatie wat betreft geuroverlast.''

Het Delftse bedrijf patenteerde de vinding, maar wilde het onderzoek verder overlaten aan de mensen van het Kluyver Instituut. De hele proefinstallatie verhuisde. Een moeizame zoektocht naar de anammox-bacterie begon. Jetten: ``Het is een recalcitrant beest. Kweken gaat erg moeizaam. Hij deelt zich maar één keer in de twee weken, dus dat schiet niet op.''

Inmiddels is met de anammox-bacterie een praktijkproef gedaan, gesubsidieerd door de Stichting Technische Wetenschappen, de vereniging van waterzuiveraars (STOWA), Gist-Brocades en DSM. Voor die proef benaderde Jetten de afvalwaterzuiveringsinstallatie (AWZI) Dokhaven in Rotterdam-Charlois. Dokhaven leverde wekelijks 200 liter slibgistingswater aan, dat na de eerste zuivering van afvalwater overblijft. Tijdens die eerste stap, uitgevoerd in een grote open tank, ruimen bacteriën allerlei organische en anorganische verbindingen op. De bacteriën bezinken naar de bodem en worden als slib afgevoerd naar een aparte tank, waar ze worden vergist. Daarbij komt veel ammonium vrij. En die stof moet verwijderd, zeker sinds de lozingsnormen voor stikstof in 1998 zijn teruggebracht van 20 mg naar 10 mg stikstof per liter.

De anammox-bacterie verwijderde ruim 90 procent van het ammonium uit het afvalwater, voldoende om de norm te halen. Die omzetting levert de bacterie trouwens weinig energie op, zodat hij zich amper vermeerdert. Een bijkomend voordeel, want dat geeft weinig extra bacterieslib. De omzetting verloopt bovendien heel wat minder omslachtig dan het proces dat AWZI's nu toepassen. Daarbij wordt ammonium eerst via nitriet omgezet in nitraat. Dat gebeurt door zogeheten nitrificerende bacteriën die voor deze omzetting zuurstof nodig hebben. Vervolgens wordt nitraat, weer via nitriet, omgezet in stikstof en daarvoor zijn denitrificerende bacteriën verantwoordelijk. Jetten: ``Om die laatste stap goed te laten verlopen moet je methanol toevoegen. En dat kost zo'n 50 cent tot een gulden per liter, afhankelijk van de olieprijs. Dokhaven is elk uur ongeveer 500 gulden kwijt aan methanol, op jaarbasis praat je over een tot twee miljoen gulden.''

Bij de anammox-reactie is geen zuurstof en geen methanol nodig. Een AWZI kan zich daarmee enkele miljoenen guldens per jaar besparen. ``Bovendien heb je voor de oorspronkelijke ammoniumverwijdering grote tanks nodig'', zegt Jetten. ``De annammox-reactie kun je in een kleine tank uitvoeren. Dat is handig, zeker gezien die strengere lozingsnormen. Want AWZI's moeten hun capaciteit nu gaan uitbreiden, maar daar hebben ze niet altijd de ruimte voor.''

Zo wordt Dokhaven omgeven door een park en flatgebouwen. Het bedrijf kan niet uitbreiden. Daarom voert het zijn slib – dagelijks 8.000 m³ – af naar het zeshonderd meter verderop gelegen slibverwerkingsbedrijf Sluisjesdijk. Het gezuiverde water gaat terug naar Dokhaven, de overgebleven vaste stof wordt verbrand.

Klein nadeel van de anammox-bacterie is dat hij nitriet nodig heeft bij de omzetting van ammonium. Daarom doorloopt het slibgistingswater eerst een ander proces, Sharon geheten. Dat proces wordt zo gereguleerd dat ammonium voor de helft wordt omgezet in nitriet. Dat gebeurt door nitrificerende bacteriën. ``Normaal zetten die ammonium via nitriet om in nitraat, maar als de temperatuur boven de dertig graden komt, stopt de reactie bij nitriet'', aldus Jetten. Het reactiemengsel komt dan in de anammox-tank terecht waar verdere omzetting in stikstofgas plaatsheeft. Het gas verdwijnt de lucht in. Jetten: ``Die bestaat al voor 80 procent uit stikstof, dus dat heeft verder geen effect.''

Jetten en Strous hopen de anammox-reactie in de toekomst te gaan gebruiken bij grootschalige slibverwerking. Dokhaven en Sluisjesdijk zijn geïnteresseerd. De Delftse ingenieurs werken inmiddels samen met Paques, een Fries bedrijf dat gespecialiseerd is in milieutechnologie. Strous: ``Toch aardig voor een bacterie die volgens sommigen niet bestaat.''