PDF hosted at the Radboud Repository of the Radboud University Nijmegen
The following full text is a publisher's version.
For additional information about this publication click this link. http://hdl.handle.net/2066/19020
Please be advised that this information was generated on 2015-10-11 and may be subject to change.
Adembenemende en Ademloze
MICROBIOLOGIE
dr. ir. M.S.M. Jetten
ADEMBENEMENDE EN ADEMLOZE MICROBIOLOGIE
Rede uitgesproken bij de aanvaarding van het ambt van hoogleraar in de Ecologische Microbiologie aan de Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica van de Katholieke Universiteit Nijmegen op donderdag 28 juni 2001
door
dr. ir. M.S.M. Jetten
Katholieke
Universiteit
Nijmegen
©2001 M.S.M. Jetten design: M acx Reclamestudio, Nijmegen
M ijnheer de R ecto r M agnificus, Z eer geachte D am es en Heren,
In deze rede wil ik u een stuk microbiologie presenteren, waar we de afgelopen 7 jaar hard aan gewerkt hebben. Zoals bij elk goed verhaal is er ook bij deze presentatie een element van spanning - Wie heeft het gedaan? - , een stukje romantiek - Krijgen ze elkaar? -, en voor de nuch tere Nederlanders - Waar is het goed voor en wat moet het kosten? Microbiologie Laat ik beginnen met de begrippen uit de titel nader te verklaren. Allereerst het vakgebied: de Microbiologie. Daarin bestuderen wij organismen die zo klein zijn dat we zelden met het blote oog kunnen zien. Om ze toch aan schouwelijk te maken, krijgt u in de loop van dit verhaal een aantal mooie plaatjes te zien, die met speciale microscopen gemaakt zijn. Hoewel ze individueel klein van afmeting zijn, vormen alle micro-organismen samen de grootste hoeveelheid biomassa op aarde (Whitman et al. 1998). Ook vormen ze meer dan 80% van al het organische fosfaat en stikstof. Micro-organismen bestaan al heel lang, zo’n 3,5 miljard jaar (Poole et al. 1998). In die tijd hebben ze niet stil gezeten, maar hebben ze zich ontwikkeld tot zeer geavanceerde levensvormen met oneindig veel bio chemische mogelijkheden en een enorme verscheidenheid. Van die mogelijkheden en verscheidenheid weten we nog maar heel weinig. Minder dan 1% van de bacteriesoorten en hun mogelijkheden is ons op dit moment bekend (Amann et al. 1995). Er valt voor microbiologen dus nog veel te bestuderen en te ontdekken. Zonder micro-organismen zou er op onze planeet geen leven moge lijk zijn. Het grootste deel van de zuurstof op aarde wordt door fototrofe cyanobacteriën geproduceerd.
3
Verder spelen micro-organismen een essentiële rol in de mineralisering van koolstof, zwavel, fosfaat en natuurlijk stikstof (Jetten 2001). Daar kom ik straks op terug. Op een paar ziekteverwekkers na, kunnen we micro-organismen zeer goed gebruiken. Ze worden al eeuwen lang toegepast voor de bereiding van voedsel en drank. Nog belangrijker is het gebruik van micro-organismen voor de productie van water, schoon water, wat een zeer schaars goed aan het worden is. Met deze opsomming heb ik de microbiologie genoeg belicht, en ga ik verder met het adembenemende en ademloze. In het grote woordenboek der Nederlandse taal staan meer dan 50 woor den die betrekking hebben op adem en lucht. Dit geeft aan hoe belang rijk adem en lucht voor ons zijn. Lucht bestaat voor ongeveer 78% uit stikstof, daarover later meer, en voor 21% uit zuurstof. Daarnaast zijn er nog vele andere gassen (kooldioxide, methaan, lachgas), gering in con centraties, maar berucht om hun mogelijke (broeikas-) effecten. Om de rest van het verhaal te volgen, is het goed om uit te leggen dat micro-organismen een wat andere manier hebben om met zuurstof om te gaan dan wij. Wij, mensen, krijgen het behoorlijk benauwd als de zuurstofconcentratie onder 18% daalt, maar de meeste micro-organismen hebben daar nauwelijks problemen mee. Om dat te illustreren doen we de volgende adembenemende proef. We stoppen wat bacteriën in een afgesloten flesje, voorzien ze van voldoende voedsel, bijvoorbeeld de stikstofverbinding ammonium, en volgen de zuurstofconcentratie in de tijd. Als we de bacteriën voldoende tijd geven, zeg 35 minuten, dan zijn ze in staat die zuurstof volledig op te maken zodat het flesje geheel ademloos is geworden. Geef je ze daarna weer wat lucht, dan kunnen ze het kunstje net zolang herhalen totdat het
4
ammonium uiteindelijk op is. Naast deze adembenemende o f aërobe bacteriën, zijn er een hele boel ademloze bacteriën, die geen zuurstof kunnen gebruiken. Om hun voed sel te verbranden gebruiken ze in plaats van zuurstof bijvoorbeeld stik stofoxides, sulfaat o f kooldioxide (CO2) als electronenacceptor, en maken daar respectievelijk stikstofgas, waterstofsulfide o f methaan van. Microbiële stikstofcyclus Na deze inleiding begint nu de episode - wie heeft het gedaan? - met het voorstellen van de adembenemende en ademloze hoofdrolspelers. Ik zal me daarbij beperken tot de stikstofcyclus (Figuur 1). Zoals als eerder gemeld bestaat onze atmosfeer voor 78% uit stik stofgas. Er zijn een paar gespecialiseerde bacteriën, die vooral in sym biose met planten, in staat zijn om dat stikstofgas te binden en vast te leggen in ammonium. Dit is het onderzoeksterrein van collega’s in Leiden en Wageningen, waar ik niet verder over zal uitweiden. Het geproduceerde ammonium wordt onder zuurstofrijke - adembe nemende - omstandigheden omgezet in nitriet en nitraat. Dit proces, ook wel nitrificatie genoemd, werd in 1890 voor het eerst beschreven (Winogradsky 1890). Het gevormde nitriet o f nitraat kan vervolgens door ademloze bacte riën worden omgezet in stikstofgas via de tussenproducten bruingas (NO) en lachgas (N2O). Dit proces staat bekend als denitrificatie, en werd in 1910 uitgediept door de eerste Nederlandse hoogleraar Microbiologie, Martinus Beijerink (Beijerink & Minkman, 1910; zie ook www.beijerinck.bt.tudelft.nl). De processen van stikstoffixatie, nitrificatie en denitrificatie, samen de stikstofcyclus genaamd, zijn in de natuur meestal in evenwicht. Door
5
ondermeer intensieve landbouw wordt dit evenwicht verstoord. Er is dan een overschot aan stikstofverbindingen, wat leidt tot grote milieuproble men, zoals zure regen, eutrofiëring, en broeikaseffect. Deze problemen kunnen worden verminderd door enerzijds de oorzaken van het stikstofoverschot aan te pakken en anderzijds ons inzicht te vergroten in de microbiële processen binnen die stikstofcyclus en deze kennis toe te pas sen in bijvoorbeeld de afvalwaterzuivering. De eerste hoofdrolspelers in de stikstofcyclus zijn de aërobe o f adem benemende ammonium-oxiderende bacteriën. Deze bacteriën zetten ammonium in aanwezigheid van zuurstof om in nitriet, water en protonen.
©
N20
Q
NO
n o 3-
Figuur 1. De microbiële stikstofcyclus. De omzetting van ammonium (NH4+) naar nitraat (NO3-) via hydroxylamine (NH2OH) en nitriet (NO2-) wordt nitrificatie genoemd. De reductie van nitraat via bruingas (NO) en lachgas (N2O) naar stikstofgas heet denitrificatie. De omzetting van stikstofgas (N2) naar ammonium wordt uitgevoerd door stikstoffixerende bacteriën. In het anammoxproces worden ammonium en nitriet in een 1:1 verhouding omgezet naar stikstofgas via het tussenprodukt hydrazine (N2H 4) door de planctomyceet-achtige bacterie Brocadia anammoxidans.
6
ademloos
0.5% lucht
s
S E 0.8
E 0.8 c
z
0.6
c
-
“
NH4+
n h 4+ n o 2-
0
5
0
10
5
10
tijd in uren
tijd in uren
Figuur 2. De invloed van zuurstof op anammoxbacteriën. In deze p ro ef werden anammoxbactiën blootgesteld aan verschillende zuurstofconcentraties. Zelfs in de aanwezigheid van 0.5% lucht zetten de anammoxbac teriën geen ammonium en nitriet om. Alleen na verwijdering van de resterende lucht werden de anammoxbacteriën weer actief. Meer details staan beschreven in Strous et al. 1997.
Bacterienamen die hierbij horen zijn Nitrosom onas en Nitrosospira. Van Nitrosom onas europaea is de biochemie en genetica redelijk goed bestu
deerd en wordt momenteel het hele erfelijke materiaal (het genoom) in kaart gebracht. Van Nitrosospira is nog maar weinig bekend, maar moge lijk speelt deze soort in afvalwater en zure bodems een belangrijke rol. De tweede groep hoofdrolspelers in de stikstofcyclus zijn de aërobe o f adembenemende nitriet-oxiderende bacteriën. Deze bacteriën zetten nitriet om in nitraat. Bacterienamen die hierbij horen zijn N itrobacter winogradskyi en N itrospira m oscoviensis. Door recent moleculair ecolo
gisch werk van onze gewaardeerde collega’s uit München weten we dat vooral Nitrospira -soorten een belangrijke rol kunnen spelen bij nitrietomzetting in afvalwaterbehandeling.
7
Anaërobe ammonium oxidatie (anammox) Tot zo’n 10 jaar geleden waren N itrosom onas en N itrobacter de enige bekende hoofdrolspelers in de microbiële stikstofcyclus, en bestond er een absoluut dogma: onder ademloze omstandigheden kan ammonium niet door bacteriën worden omgezet. Gelukkig hebben een aantal mensen zich niet zoveel van dat dogma aangetrokken en weten we nu dat adem loze o f anaërobe ammonium oxidatie - afgekort tot anammox (Figuur 1) - wel degelijk bestaat en dat het proces door zeer bijzondere bacteriën wordt uitgevoerd (Jetten et al. 1998; www.anammox.com). In het anammox proces wordt één molecuul ammonium samen met één molecuul nitriet direct in stikstofgas omgezet, waarbij een aantal zeer reactieve stikstofverbindingen zoals hydrazine (N2H4) als tussenproduct optreden. De bacteriën gebruiken CO2 als koolstofbron en groeien bij zonder langzaam: ze hebben een verdubbelingstijd van 2 tot 3 weken. Dit stelt bijzonder hoge eisen aan het geduld van de medewerkers, die de bac teriën mogen kweken en aan de reactoren die voor de groei gebruikt kun nen worden. Maar met een grote dosis geduld, de nodige kunde en de juiste apparatuur, krijg je een prachtig resultaat: een reactor vol met diep rode anammoxbacteriën. De rode kleur wordt veroorzaakt door cytochromen, een organische ijzerverbinding vergelijkbaar met hemoglobine in ons bloed. Ondanks zo ’n reactor vol met anammoxbacteriën, waren er nog collega’s die zeiden: “hoe weet je nu zeker dat zuurstof geen rol speelt in de omzetting van ammonium door anammoxbacteriën?” Daartoe hebben we een aantal proeven (Strous et al. 1997) uitgevoerd met anammoxbacteriën onder gedefinieerde zeer lage zuurstofconcentraties (Figuur 2). Stapsgewijs werd de zuurstofconcentratie verlaagd tot de detectiegrens (0.5% luchtverzadiging) van onze zuurstofmeters en nog steeds hadden de anammoxbacteriën geen zin om de ammonium en
8
nitriet om te zetten. Pas toen alle zuurstof verwijderd was uit de reactor werden de anammoxbacteriën weer actief en zetten ze keurig ammonium en nitriet in de verhouding 1:1 om in stikstofgas. Identiteit van de anammoxbacteriën Nog belangrijker dan de vraag welke invloed van zuurstof heeft op deze bacteriën, vonden wij de vragen: wat zijn dit nu voor bacteriën? En hoe kunnen we ze in handen krijgen? Daartoe zijn vele klassieke microbiële trucs uitgevoerd. Dit leverde een wonderbaarlijke collectie aan bacterie-isolaten op, maar helaas nog geen ‘echte’ anammoxbacterie. Uiteindelijk hebben we onze toevlucht genomen tot een mechanische scheiding: eerst een heel milde ultrasone trilling van de bacterievlokken en daarna een dichtheidsgradiëntcentrifugatie met het stofje Percoll (Strous et al. 1999). Hiermee konden we de anammoxbacteriën, die net iets zwaarder zijn dan de andere bacteriën in de vlokken, scheiden en ver zamelen. Na deze behandeling was er nog heel wat kunst- en vliegwerk nodig om de gezuiverde anammoxbacteriën weer actief te krijgen. Maar met een aantal Ave Maria’s, vaak proberen en een snufje hydrazine, lukte het en zetten de gezuiverde bacteriën ammonium en nitriet netjes om in stikstofgas. Toen we zuivere anammoxcellen in handen hadden, hebben we die gebruikt om hun genetische materiaal te verkrijgen en hun 16S ribosomale RNA-sequentie te vergelijken met die van andere bekende bacte riën. Met die informatie konden we een stamboom maken. Tot onze ver rassing bleken de anammoxbacteriën het meest verwant te zijn een zeer obscure groep van bacteriën, de planctomyceten (Fuerst 1995). Toen we zeker wisten wie de anammoxbacteriën waren, konden we ze ook een mooie naam geven: ‘Candidatus Brocadia anammoxidans’. Brocadia
9
Cytophaga
Figuur 3. Stamboom van Candidatus Brocadia anammoxidans. De stamboom is gebaseerd op een vergelijking van de basepaarvolgorde van het 16S rDNA gen van Brocadia anammoxidans met de volgorde van andere bekende bacteriën. Meer over de phylogenie van Brocadia en andere planctomyceten is te vinden in Strous et al. 1999 en Schmid et al. 2000 en 2001.
naar de plaats van ontdekking bij het voormalige Gist-brocades in Delft en anammoxidans spreekt voor zich. Naast de verwantschap hebben we de gezuiverde cellen ook gebruikt voor het bestuderen van de organisatie binnen de cel. Brocadia wijkt daarin sterk af van de gebruikelijke bacteriële structuur door de aanwe zigheid van celcompartimenten (Lindsay et al 2001). In electronenmicroscopische opnames (Figuur 3) kunnen we in Brocadia drie compar timenten ontdekken. De buitenkant van Brocadia bestaat uit een eiwitrij ke celwand, daar tegenaan ligt het cytoplasmatisch membraan. Binnen dat membraan ligt het eerst compartiment, het zogenaamde paryphoplasma, dat omsloten wordt door de cytoplasmatische en intracytoplasmati sche membranen. Het middelste compartiment dat het DNA (nucleoid) en de ribosomen bevat wordt het riboplasma genoemd. Het binnenste
10
nucleoid eiwitrijke celwand cytoplasma membraan intracytoplasmatische membraan riboplasma paryphoplasma anammoxosoom
Figuur 4. De cellulaire organisatie van Brocadia anammoxidans. Deze fig u u r geeft een schematische weergave van de cellulaire organisatie en compartimentering in de anammoxbacterie Brocadia anammoxidans. D etails over de organisatie van deze en andere planctomyceet-achtige bac teriën is te lezen in Lindsay et al. 2001.
compartiment bevat tenminste één eiwit (Schalk et al. 2000) dat bij de anammox omzetting een belangrijke rol speelt. Dit compartiment heet het anammoxosoom. Ik wil nu even terugkomen op de genetisch informatie in het 16S ribosomale RNA. Toen we eenmaal achterhaald hadden wat de nucleotidesamenstelling van Brocadia’s 16S ribosomale gen was, konden we op grond van die informatie zeer specifieke oligonucleotide sondes maken. Deze sondes werden vervolgens voorzien van mooie fluorescerende kleurstoffen. Met deze sondes kunnen we nu heel specifiek de anammoxbacteriën herkennen, zonder dat we een zeer moeizame activiteitstest hoeven uit te voeren. We hebben uit de hele wereld monsters gevraagd en gekregen en die vervolgens geanalyseerd met behulp van de zogenaam de fluorescerende in situ hybridisatie (FISH).
11
Het zal u niet verbazen dat we met de anammoxcellen uit Delft en Nijmegen een zeer duidelijke kleurreactie krijgen, maar anammoxbacteriën blijken op nog veel meer plaatsen in de wereld voor te komen. Na ont dekking in Nederland, zijn anammoxcellen aangetroffen in biomassa van enkele Europese afvalwaterzuiveringsinstallaties, namelijk in Stuttgart, Mechernich, Hannover en Ingolstadt (Duitsland), Zürich (Zwitserland), en Londen (Groot Britannië). Maar ook wat verder van huis: in Sidney, Brisbane en Perth (Australië), en op 2 plaatsen in Japan. Zeer recent kre gen we de mogelijkheid om monsters uit Oeganda te analyseren. Hieruit bleek dat anammoxcellen (Figuur 4) zich ook in een ammoniumrijk en ademloos zoetwatermoeras in Afrika prima thuis voelen. Opvallend aan deze Afrikaanse anammoxbacteriën was hun gigantische afmeting. In
Fasecontrast
Cy3 Amx820
Figuur 5. Microscopische opname van anammoxbacteriën uit een OostAfrikaans moeras. In het fasecontrast beeld is een opname te zien van een cluster anammoxbacteriën te midden van vele andere bacteriesoorten. In het fluoresecentiebeeld zijn de anammoxcellen gekleurd met de kleurstof CY3 die gekop p e ld is aan de sonde Amx820. M et deze sonde kunnen anammoxcellen zeer specifiek worden aangetoond, zie ook Schmid et al. 2000.
12
nh 4+
4
weinig lucht
Figuur 6. Schematische weergave van het CANON-proces. In het CANON-proces werken adembenemende en ademloze ammonium oxiderende bacteriën samen in de omzetting van ammonium naar stikstofgas via het tussenprodukt nitriet. D e adembenemende Nitrosomonas bacteriën zetten onder zuurstoflimitatie het ammonium om in nitriet. Doordat de Nitrosomonas cellen alle zuurstof gebruiken is de reactor vrijwel ademloos en kunnen de ademloze anammoxbacteriën het gevormde nitriet samen met de overgebleven ammonium omzetten in stikstofgas. Voor details zie Jetten et al. 2001 en Sliekers et al. 2001.
plaats van de gebruikelijke 1 micrometer, waren deze reuzen wel 10 keer zo groot. We proberen nu zo snel mogelijk ‘verse’ monsters uit Oeganda te krijgen om de identiteit van deze reuze anammoxbacteriën nader vast te stellen. Laat ik de hoofdrolspelers nog even samenvatten: adembenemende N itro som onas en N itrobacter en de ademloze anammoxbacterie Brocadia
anammoxidans. Brocadia is een planctomyceet-achtige bacterie met zeer bijzondere celcompartimenten (www.anammox.com). Naast Brocadia bestaan er waarschijnlijk nog zeer veel andere soorten anammoxbacteriën (Schmid et al. 2000).
13
Stikstofverwijdering uit afvalwater Nu u weet wie de hoofdrolspelers zijn, bent u vast nieuwsgierig naar wat ze met elkaar doen en o f dit nog iets nuttigs oplevert? Daarvoor moeten we eerst kijken hoe de stikstofverwijdering uit afvalwater op dit moment plaatsvindt. In de gebruikelijke afvalwaterbe handeling wordt ammonium met een zeer grote hoeveelheid lucht hele maal omgezet naar nitraat door de adembenemende nitrificerende bacte riën. Het gevormde nitraat wordt daarna met veel organisch materiaal omgezet in stikstofgas in het denitrificatie proces. Vaak bevat afvalwater niet voldoende organisch materiaal voor een volledige denitrificatie, en moet er bijvoorbeeld methanol aan worden toegevoegd. Daarnaast bestaat tijdens traditionele denitrificatie een grote kans dat de tussenproducten bruingas o f lachgas vrijkomen. Dit is zeer onwenselijk. Door toepassing van de anammoxbacteriën en het slim sturen van het nitrificatieproces kunnen we de stikstofverwijdering een stuk efficiënter en goedkoper maken (Jetten et al. 1997). Dat gaat als volgt: we laten ammo nium met weinig lucht omzetten in nitriet door adembenemende N itrosom onas bacteriën, en het gevormde mengsel van ammonium en
nitriet kan vervolgens onder ademloze omstandigheden door anammoxbacteriën in stikstofgas worden omgezet. Deze combinatie geeft een grote besparing in de beluchtingskosten, maakt de noodzaak voor methanol toevoeging overbodig, en er komt nauwelijks lachgas vrij. Dus genoeg goede redenen om samen met de Nederlandse afvalwaterindustrie dit proces verder te ontwikkelen. Er zijn twee uitvoeringsvormen moge lijk. Een proces dat bestaat uit twee reactoren met aparte regeling bestaat, het zogenaamde Sharon-Anammox proces (Jetten et al. 1997). Het ande re systeem bestaat slechts uit één reactor, waarin adembenemende en ademloze bacteriën samen het ammonium omzetten in stikstofgas
14
(Strous 2000, Jetten et al. 2001). Dit proces heet het CANON-proces (Figuur 6), wat in het Engels staat voor ‘Completely Autotrophic Nitro gen removal Over Nitrite’. Stikstofverwijdering met behulp van anammoxbacteriën In dit CANON-proces is de verhouding tussen ammonium en lucht erg belangrijk. De eerste stap in CANON is de omzetting van ammonium naar nitriet door de adembenemende N itrosom onas bacterie. Als er teveel lucht in de reactor komt, krijgen de N itrobacter o f N itrospira bacteriën een kans, en wordt er als vanouds nitraat gemaakt. Als er voor wordt
inkomend rioolwater
gezuiverd water
60 mg N / 1
< 10 mg N / I
Figuur 7. Integratie van een grootschalige anammoxreactor in de afvalwater-zuiveringsinstallatie van Dokhaven-Sluisjesdijk in Rotterdam. D e anammoxreactor wordt gebruikt om het ammonium in het slibgistingswater om te zetten. Hierdoor kan de stikstofbelasting van de hele instal latie m et 10-25% worden teruggebracht. M eer informatie is te vinden in van Dongen et al. 2001.
15
gezorgd dat er net iets meer ammonium dan lucht is, dan kunnen de ademloze Brocadia bacteriën het gevormde nitriet samen met het reste rende ammonium omzetten naar stikstofgas. Door veel te experimenteren, zijn we ondertussen erg handig geworden om zo’n CANON-proces (Sliekers et al. 2001) op te starten. We doen dat door aan een bestaande anammoxreactor langzaam en voorzichtig lucht toe te voegen. Hierdoor ontwikkelt zich in 3 weken tijd een Nitrosom onas populatie, die samen met de overgebleven ademloze Brocadia’s het ammonium voor het overgrote deel in stikstofgas omzet. Dat deze twee adembenemende en ademloze bacteriën iets met elkaar gekregen hebben en nog lang en gelukkig voortleven kunnen we mooi laten zien met de eerder genoemde FISH techniek. Op microscopische opnames van bacterievlokken uit de CANON-reactor is goed te zien dat de adembenemende N itrosom onas bacteriën en de ademloze anammoxbacteriën in de verwachte verhouding bij elkaar zitten (Sliekers et al. 2001). We wilden echter niet alleen laten zien dat ze bij elkaar zitten, maar ook wat ze aan het doen zijn. Daarvoor hebben we in samenwerking met de collega’s van de Technische Universiteit München (Schmid & Strous 2001 unpublished results) de volgende proeven gedaan. We hebben biomassa uit de CANON-reactor genomen, onder ademloze omstandigheden geplaatst en voorzien van ammonium, nitriet en een klein beetje radioactief kool dioxide. Vervolgens hebben we monsters uit deze experimenten onder de confocale scanning laser microscoop bekeken. Alleen op plaatsen waar anammoxcellen zitten zijn zowel een rode fluorescente kleur van de spe cifieke anammox sonde CY3-AMX820 als de zwarte vlek van het inge bouwde 14CO2 te zien. Dit radioactieve kooldioxide is door de anammoxcellen ingebouwd in hun celmateriaal tijdens het omzetten van ammoni um en nitriet. Doen we de proef onder adembenemende omstandigheden,
16
dan is het resultaat net andersom. Alleen waar N itrosom onas cellen zit ten, is de groene kleur van N itrosom onas specifieke sonde FLUOSNEU658 en de zwarte kleur van het radioactieve kooldioxide waar te nemen. Anammoxcellen zijn dus alleen actief in afwezigheid van zuur stof, en N itrosom onas is alleen actief in aanwezigheid van zuurstof. De hoeveelheid zuurstof komt dus erg nauw. Net genoeg voor Nitrosom onas zonder dat de anammoxbacteriën er last van hebben. Grootschalige toepassing van anammoxbacteriën Dit is nu allemaal mooi en aardig zeggen de nuchtere Nederlanders onder u. Ik weet nu wie de hoofdrolspelers zijn; ik weet dat ze iets met elkaar doen, maar wat gaat dat kosten? In opdracht van en in samenwerking met de Nederlandse afvalwaterzuiveraars hebben we een prijsberekening gemaakt voor de 2 nieuwe pro cessen en die vergeleken met de kosten van bestaande processen (van Dongen et al. 2001). Uit deze berekening bleek dat zowel het SharonAnammox proces als het CANON proces aanzienlijker goedkoper is dan andere methodes. Misschien lijkt een verschil van een gulden vijfenzes tig per kg verwijderd stikstof niet veel. Maar als u bedenkt, dat er in een gemiddelde afvalwaterzuiveringsinstallatie in Nederland 1.500 kg stik stof per dag doorheen gaat, betekent dat een prijsverschil van 2.480 gul den per dag. In 300 bedrijfsdagen per jaar loopt het verschil al op tot 750.000 gulden. Met zo’n 400 installaties in Nederland rekenen we ons zelf snel 300 miljoen gulden rijker. Zover is het echter nog lang niet, aan het eind van dit jaar wordt er een begin gemaakt met de bouw van de eerste grootschalige anammoxinstallatie in Nederland. Dit vindt plaats op het terrein van de afvalwa terzuivering en slibverwerking Dokhaven-Sluisjesdijk in Rotterdam
17
(Figuur 7). Het waterzuiveringsproces gaat daar als volgt. Het ingaande rioolwater wordt eerst ontdaan van organische verbindingen in de A-trap, zodat er alleen nog wat ammonium overblijft. Het daarbij geproduceerde rioolslib wordt in een bezinker opgevangen, en gedeeltelijk teruggevoerd naar de A-trap, het overige deel gaat naar de slibvergisting. Het water met ammonium gaat naar de B-trap, waar adembenemende nitrificerende bacteriën het ammonium met lucht in nitraat omzetten. Het daarbij geproduceerde rioolslib gaat deels terug naar de B-trap, het spuislib gaat naar de slibvergisting. Het gezuiverde water met minder dan 10 mg stikstof per liter wordt geloosd op de Maas. Het overtollige rioolslib wordt in de slibgistingstank omgezet in biogas, dat gebruikt wordt om een deel van de benodigde elektriciteit en warmte te produceren. Na de slibvergisting, wordt het uitgegiste slib ontwaterd in grote centrifuges. Het ‘ontwaterde’ slib wordt afgevoerd naar de afvalverbranding. Het slibgistingswater, dat een zeer hoog ammoniumgehalte (1-2 g N/l) heeft, gaat nu nog terug naar de A-trap. Dit slibgistingswater is echter een ideale afvalstroom om met behulp van een CANON- o f Sharon-Anammox-proces behandeld te wor den. Door aparte behandeling van het slibgistingswater met het CANONproces zou de stikstofbelasting van de totale installatie met 10-25% kun nen afnemen, zodat uiteindelijk op een goedkopere en efficiëntere manier aan de lozingseisen voor stikstof voldaan kan worden.
18
Conclusies De vier belangrijkste conclusies uit deze rede zijn: • Brocadia anammoxidans is een zeer bijzonder bacterie verantwoorde lijk voor het ademloze anammox proces. • Adembenemende en ademloze ammonium oxiderende bacteriën zijn natuurlijke partners in stikstofomzetting. • De eerste grootschalige anammoxreactor komt er binnenkort aan. • Introductie van het anammoxproces kan de kosten voor stikstofverwijdering aanzienlijk verminderen Toekomst Deze conclusies sluiten direct aan bij de toekomstplannen. De opstart van de eerste grootschalige anammoxreactor in Rotterdam zal in het kader van een Europees onderzoeksproject worden ondersteund door activiteitsmetingen en FISH analyses. Daarvoor zullen nieuwe nog specifieke re en gevoeligere oligonucleotide sondes ontworpen worden (Schmid et al. 2001). Nu we weten welke bacterie verantwoordelijk is voor het anammox proces, willen we de
biochemische en metabole mogelijkheden van
Brocadia verder bestuderen. Dit gebeurt enerzijds door een aantal eiwit ten, die betrokken zijn bij de stikstofomzettingen,
te zuiveren en te
karakteriseren. Daarnaast zal een poging gedaan worden om de gehele erfelijke informatie (genoom) van Brocadia in kaart te brengen en te ver gelijken met de erfelijke informatie van N itrosom onas europaea, de adembenemende ammonium oxideerder, en Pirellula m arina, een andere planctomyceet-achtige bacterie. De lipidenanalyse (Damste et al. 2001 unpublished results) en de gecompartimenteerde celstructuur van Brocadia heeft ons voor vele raad sels gesteld. Het zal voor ons een grote uitdaging zijn de chemische
19
structuur en functie van de bijzondere lipiden te achterhalen. Daarnaast willen we graag de functie en het ontstaan van celcompartimentering in Brocadia en andere planctomyceten beter begrijpen. De kennis en ervaring opgedaan in het onderzoek van het anammoxproces, zullen we gebruiken voor het bestuderen en begrijpen van ande re belangrijke adembenemende en ademloze microbiële interacties in de zwavel- en koolstofcyclus. Dankwoord Deze hele presentatie en onderzoekslijn was natuurlijk onmogelijk geweest zonder de inbreng van vele mensen. Mijn laatste telling kwam uit op meer dan 100 medewerkers, gasten, studenten en stagiaires. Als ik die hier allemaal ga noemen, wordt de Rector Magnificus heel boos. Ik zal dus geen persoonsnamen noemen, alleen de instellingen. Allereerst wil ik de Katholieke Universiteit Nijmegen, de faculteit Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica, de subfaculteit Biologie en haar bestuurders hartelijk danken voor hun genereuze ont vangst hier in Nijmegen. De Afdeling Microbiologie (www.sci.kun.nl/micrbiol) met zowel ‘oude’ als ‘nieuwe’ medewerkers bedank ik voor de zeer prettige start en samenwerking. De Afdeling Biotechnologie van de Technische Universiteit Delft ben ik zeer erkentelijk voor 7 fantastische jaren stikstofonderzoek. Ik hoop dat er nog veel samenwerking mag volgen. Wat langer geleden speelden het Massachusetts Institute o f Technology, Cambridge, USA, en de vakgroep Microbiologie van de toenmalige Landbouwuniversiteit Wageningen een belangrijke rol in mijn onderricht in de moleculaire biologie van Corynebacteriën en in de ademloze microbiologie van methanogene Archaea.
20
Het Nederlands Instituut voor Oecologische Onderzoek, het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee, en de Vrije Universiteit van Amsterdam bedank ik voor de vruchtbare en succesvolle Nederlandse samenwerking. Ik hoop dat samenwerking met de Wageningen Universiteit en Research Center en de Rijksuniversiteit Groningen spoe dig mogen volgen. De Afdelingen Microbiologie van de Technische Universiteit van München en van de Universiteit van Queensland, Brisbane Australië, bedankt voor de uitstekende samenwerking op het gebied van de mole culaire ecologie en ultrastructuur van Brocadia anammoxidans. De vele subsidiegevers (EU, NWO, ALW, STW, STOWA, DSM-Gist, ZHEW en Paques BV) bedank ik voor hun bijdrages aan het anammoxonderzoek, ga zo door! Verder bedank ik vrienden, familie en natuurlijk mijn ouders voor alle hulp en steun! En tot slot - daar kan geen bacterie tegen op - zijn er mijn twee lieve dames (vrouw en dochter). En zoals elke werkdag komt er tot besluit een zoontje met een grote fluit, die blaast het verhaaltje uit. Ik heb gezegd
21
Referenties Amann RI, Ludwig W, Schleiffer KH (1995) Phylogenetic identification and in situ detection o f individual microbial cells without cultivation. Microbiol. Rev. 59, 143-169. Beijerink MW, Minkman DCJ (1910) Bildung under Verbrauch von Stickoxydul durch bakterien. Centra. Blatt Bacteriol. Parasitol. Jena II 25,30-63. Fuerst JA (1995) The planctomycetes: emerging models for microbial ecology, evolution and cell biology. Microbiology(UK) 141, 1493-1506. Jetten MSM (2001) New pathways for ammonia conversion in soil and aquatic systems. Plant & Soil 230, 9-19. Jetten MSM, Horn S, van Loosdrecht MCM (1997) Towards a more sustainable municipal wastewater treatment system. Wat. Sci. Technol. 35, 171-180. Jetten MSM, Strous M, van de Pas-Schoonen KT, Schalk J, van Dongen L, van de Graaf AA, Logemann S, Muyzer G, van Loosdrecht MCM, Kuenen JG (1998) The anaerobic oxidation o f ammonium. FEMS Microbiol. Rev. 22, 421-437. Jetten MSM, Wagner M, Fuerst JA, van Loosdrecht MCM, Kuenen JG, Strous M (2001) Microbiology and application o f anaerobic annonium oxidation (‘anammox’) process. Curr. Opinion Biotechnol. 12, 283-288. Lindsay MR, Webb RI, Strous M, Jetten MSM, Butler MK, Forde RJ, Fuerst JA (2001) Cell compartimentalisation in planctomycetes: novel types o f structural organisation for the bacterial cell. Arch. Microbiol. 175, 413-429. Poole AM, Jeffares DC, Penny D (1998) The path from the RNA World. J. Mol. Evol. 46, 1-17. Schalk J, de Vries S, Kuenen JG, Jetten MSM (2000) A novel hydroxylamine oxidoreductase involved in the anammox process. Biochemistry 39, 5405-5412. Schmid MA, Twachtmann U, Klein M, Strous M, Juretschko S, Jetten MSM, Metzger J, Schleiffer KH, Wagner M (2000) Molecular evidence for genus level diversity of bacteria capable o f ctalyzing anaerobic ammonium oxidation. Sys. Appl. Microbiol. 23, 93-106. Schmid MA, Schmit-Esser S, Jetten MSM, Wagner M (2001) 16S-23S rDNA intergenic spacer and 23S rDNA o f anaerobic ammonium oxidizers: implications for phylogeny and in situ detection. Environ. Microbiol. 3(7), 450-459.
22
Sliekers AO, Derwort N, Campos-Gomez JL, Strous M, Kuenen JG, Jetten MSM (2001) Completely Autotrophic Nitrogen removal over nitrite (CANON) in one single reactor. Water Research, in press. Strous M, van Gerven E, Kuenen JG, Jetten MSM (1997) Effects o f aerobic and microaerobic conditions on anaerobic ammonium-oxidizing (Anammox) sludge. Appl. Environ. Microbiol. 63, 2446-2448. Strous M, Fuerst JA, Kramer E, Logemann S, Muyzer G, van de Pas-Schoonen KT, Webb RI, Kuenen JG, Jetten MSM (1999) Missing lithotrops identified as new planctomycete. Nature 400, 446-449. Strous M (2000) Microbiology o f anaerobic ammoium oxidation. PhD thesis TU Delft, ISBN 90-9013621-5. Van Dongen L, Jetten MSM, van Loosdrecht MCM (2001) The Sharon-Anammox process for the treatment o f ammonium rich wastewater. Wat. Sci. Technol. 44, 153-160. Whitman WB, Coleman DC, Wiebe W J (1998) Prokaryotes: The unseen majority. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 6578-6583. Winogradsky S (1890) Recherches sur les organismes de la nitrification. Ann. Inst. Pasteur. 4, 213-231.
Websites www.beijerinck.bt.tudelft.nl www.sci.kun.nl/micrbiol www.anammox.com
23
ISBN 90-9015227-X
