naar top
Menu
Logo Print

LANGE ZOEKTOCHT NAAR BIJZONDERE BACTERIE

Prof. Mike Jetten over de anammoxbacterie

Prof. Mike Jetten in het lab in het Huygensgebouw van de Radboud Universiteit; de rode kleur in de anammoxreactor wordt veroorzaakt door het hoge ijzergehalteMicrobioloog en winnaar van de Spinozaprijs, Prof. Mike Jetten heeft zijn naambekendheid in de eerste plaats te danken aan de ontdekking van de anammoxbacterie, maar daarna kwam hij ook microbiële omzettingen op het spoor waarbij methaan en zwavel worden afgebroken. Fundamenteel onderzoek, maar met directe praktische toepassingen op terreinen zoals ecologie en watertechnologie.

THE IMPOSSIBLE MICROBE

Anammox, uw eerste grote ontdekking, werd aanvankelijk niet voetstoots geaccepteerd. Waarom niet?

“In 1977 heeft een zekere Broda (Engelbert Broda, een Oostenrijks chemicus, n.v.d.r.) een theoretisch proces beschreven waarbij ammonium werd geoxideerd zonder aanwezigheid van zuurstof. Daarbij zou energie vrijkomen waarvan bacteriën zouden kunnen leven. Daarop hebben een aantal onderzoekers geprobeerd die bacteriën te vinden, maar dat leek maar niet te lukken. Hoe harder men zocht, hoe minder men vond. Op de duur kreeg de bacterie zelfs de bijnaam 'the impossible microbe'."

Hoe raakte u daarbij betrokken?

“Toen ik naar Delft ging (van 1994 tot 1996 werkte Mike Jetten als universitair docent aan de TU Delft, n.v.d.r.), waren net de eerste aanwijzingen opgedoken dat er toch zoiets als anammox bestond. Het was natuurlijk een hele uitdaging om aan te tonen dat het echt om een bacteriële omzetting ging. En het viel bepaald niet mee om de collega's te overtuigen als je veertig jaar lang iets hebt gezocht en niets hebt gevonden, waarom zou je dan plotseling iemand geloven die zegt dat hij het wel heeft ontdekt?"

En waarmee heeft u hen kunnen overreden?

“Er waren allerlei simpele aanwijzingen: we zagen dat de reactie stopte als we de kweek steriliseerden, of als we antibiotica toevoegden. Toch konden we de eerste verslagen maar met grote moeite gepubliceerd krijgen. Veel tijdschriften durfden het niet aan. Uiteindelijk werden onze bevindingen in FEMS Microbiology Ecology aarzelend geaccepteerd, maar het vakgebied bleef nog lang sceptisch."

Wat gaf daarna de doorslag?

“Vervolgens konden anderen onze uitkomsten verifiëren, en het belangrijkste: we konden de cultures laten groeien door onder de juiste condities ammonium en nitriet toe te voegen. Maar het duurde nog wel een jaar of vijf voor we het beestje precies konden identificeren. Eerst werden er betere reactoren ontwikkeld, zodat we anammox van een betere kwaliteit konden kweken, en ten slotte kregen we zoveel cellen dat we de cultures konden gaan scheiden."

Waarom?

“De fracties konden we vervolgens radioactief gelabeld koolstof en ammonium toedienen, en daarmee konden we vaststellen dat zich in specifieke cellen het omzettingsproces voltrok, waarbij de radioactieve koolstof opgenomen wordt. Uit die gezuiverde fracties konden we ook het DNA isoleren, zodat we eindelijk ook de barcode van de microbe hadden. In 1999 resulteerde dat in een publicatie in Nature: 'Missing lithothroph identified' … En inmiddels wordt het proces over de hele wereld toegepast en werken er meer dan honderd wetenschappelijke groepen aan."

En dat gaat allemaal om dezelfde bacterie?

“Het zijn er maar een paar. Toen we eenmaal wisten wat we moesten zoeken, troffen we ook in de Zwarte Zee een mariene tak van de anammoxbacterie aan, evenals op andere zuurstofloze plaatsen waar ammonium voorradig is. De bacterie bleek ook een heel belangrijke rol in de mondiale stikstofcyclus te spelen: de helft van de huidige stikstof in de lucht is al een keer door een anammoxbacterie gepasseerd."

Is de nu gebruikte bacterie optimaal voor het zuiveringsproces?

“Nee, dat kun je niet zeggen. Omdat hij geen concurrentie heeft in zijn natuurlijke omgeving, verloopt zijn metabolisme niet erg efficiënt. Maar helaas is het organisme voor ons nog niet genetisch toegankelijk. Wat we wel aan het proberen zijn, is in een vergelijkbare soort het minimale aantal genen in te brengen om hem de chemische anammoxtruc te laten uitvoeren. Vooral de productie van hydrazine
raketbrandstof zouden we graag aan een bacterie overlaten."

OPSCHALING

Hoe is de opschaling van het proces verlopen?

“Iets anders dan normaal. Het aardige is dat we twintig jaar geleden zijn begonnen met toegepast onderzoek in STW-verband, maar gaandeweg steeds fundamenteler werk zijn gaan doen, met subsidies van het NWO en twee Advanced Grants van het ERC. Maar we hebben natuurlijk altijd oog gehouden voor de mogelijke toepassingen. Rond 2000 heb ik, samen met een aantal partners waaronder Paques een grote Europese subsidie verworven. Daar konden we ook een pilot plant van bouwen. En omdat een installatie van 10.000 liter even veel geld bleek te kosten als eentje van 100.000, besloten we alle tussenstappen over te slaan en kozen we voor het laatste. Dat was mogelijk, omdat we de biologie van het proces heel goed begrepen."

Dat werd de rioolwaterzuivering Dokhaven in Rotterdam?

“Precies. Het is natuurlijk een grote stap van het laboratorium naar zo'n enorme reactor, en je loopt tegen allerlei problemen aan waarvan je in het lab geen vermoeden hebt. En daarvoor was ook een moedige partner nodig als het Waterschap Hollandse Delta. Die durfde de risico's aan schommelende effuentwaarden, onverwachte problemen door zware nachtvorst, noem maar op. Maar dankzij de samenwerking met Mark van Loosdrecht en zijn biotechnologen in Delft is het gelukt."

Zijn de volgende reactoren daarop gebaseerd?

Anammoxzuiveringsinstallatie in China (Meihua)“In principe wel. Bij het bouwen van de installatie in Rotterdam ontdekten we dat er al een kleine populatie anammox in het slib van de bestaande installatie zat. Het heeft bijna twee jaar geduurd, maar toen hadden we een fantastisch lopende reactor, vol met anammox. Volgende installaties, in Lichtenvoorde en Olburgen, en daarna in China en de hele wereld, zijn geënt met die anammoxbacterie."

REACTIE MET METHAAN EN NITRIET

Daarnaast werkt u ook aan een methaanverwerkend proces?

“Ook daar ben ik al mee bezig sinds mijn Delftse tijd. Als je bedenkt dat de reactie met ammonium en nitriet al voldoende energie oplevert voor het metabolisme van een bacterie, dan geldt dat zeker ook voor de reactie met methaan en nitriet. Potentieel levert die dertigmaal zoveel als er minimaal nodig is om een bacterie te laten groeien. Het was echter opnieuw niemand ooit gelukt om een microbiële omzetting aan te tonen. Ik ben toen weer bij ecologiecollega's te rade gegaan om uit te zoeken waar er veel methaan en veel nitraat aanwezig is, en waar ook nog verdwijning van die stoffen optreedt."

En waar stuurden ze u heen?

“Naar het Twentekanaal! En na heel lang incuberen van het slib daar hadden we inmiddels ervaring mee vonden we in het sediment archaea (oerbacteriën) en bacteriën die samenwerkten om zonder zuurstof methaan en nitraat om te zetten. Het bleek dat de archaea het nitraat naar nitriet omzetten en dat de bacteriën dat weer tot stikstof en zuurstof afbraken. Die ontdekking leidde binnen negen dagen tot een Nature artikel: volgens mij een record. Voorts vonden we dat de archaea ook in staat waren om met behulp van ijzer methaan om te zetten. Een reactie die misschien wel uit de begintijd van het leven op aarde stamt."

Zijn ook deze reacties bruikbaar?

“Hopelijk wel: omdat ze nitraat kunnen omzetten, zouden we ze samen met anammox kunnen gebruiken. Dan zou je afvalwater kunnen zuiveren op een manier die flink wat energie oplevert en CO2-emissies bespaart, door met methaan nitraat en nitriet om te zetten en vervolgens de anammox het nitriet samen met ammonium te laten afbreken. Op laboratoriumschaal werkt het al, maar al die organismen stellen hun eigen eisen." Werk genoeg dus voor de watertechnologen in Delft en Friesland … 

ANAMMOX

Schematisch model van de reacties in een anammoxbacterieAnammox is een acroniem voor voor ANaerobe AMMonium OXidatie, het door middel van een bacterieel proces verwijderen van nitriet en ammonium uit afvalwater (NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O). De reactie werd voor het eerst in 1986 waargenomen en is vervolgens door onder meer prof. Mark van Loosdrecht (TU Delft), prof. Mike Jetten (Rabboud Universiteit) en bedrijven zoals Paques (Balk) ontwikkeld tot een inmiddels wereldwijd gebruikt zuiveringsprocedé, waarmee zowel industrieel als huishoudelijk afvalwater op energie-efficiënte wijze wordt verwerkt.