Artikel, Lianna Poghosyan, Martine Kox, Sebastian Lucker, Maartje, van Kessel

Welke micro-organismen zorgen voor ons schone drinkwater?

H2O, Water Matters, December 2020


Article, Picone N, Pol A, Mesman R, van Kessel MAHJ, Cremers G, van Gelder AH, van Alen TA, Jetten MSM, Lücker S & Op den Camp HJM (2020)

New bacterium appears to be efficient air purifier in extremely acidic environment

Microbiologists at Radboud University have discovered a new bacterial strain that feeds on ammonia and urea in an extremely acidic environment. That bacteria would be capable of this at a very low pH level had previously been considered impossible. The organism, which was discovered in an air filter of a pig farm, appears to be an unusual and distant relative of the known ammonia oxidizers that are normally found in the oceans. The researchers publish their findings in The ISME Journal on 10 December 2020.

Ammonia is a compound contained in animal waste and its concentrations in the environment are strictly regulated. For this reason, waste waters and polluted air are treated with systems that make use of ammonia-oxidizing microorganisms that reduce the concentration of this molecule before releasing it to the environment. Ammonia oxidation is a process that usually happens at neutral pH.

One day the Radboud microbiologists were contacted by a company that operated an ammonia-removing biofilter to clean the air from a pig farm. The biofilter showed good and stable performance at pH 2. They could not explain how this was possible and asked us to investigate it. Huub Op den Camp, Professor of Microbiology of Acidic Volcanic Ecosystems at Radboud University said “we were quite excited about this, since the system was working extremely efficiently despite the acidic conditions. Could there be a new microbe present able to perform ammonia oxidation at such low pH? “

The samples arrived in closed buckets containing water from the biofilter tank and biofilm scraped-off from the carrier material. Analysis revealed a very low pH value and preliminary microscopic observations showed one recurrent type of bacteria with a quite unique morphology. They were visibly bigger than the rest and they had the tendency to form aggregates. Would this be novel acidophilic ammonia oxidizers?

The next challenge was to cultivate this microorganism at the low pH value, which turned out to be everything but straight-forward. Finally the researchers were able to obtain a stable culture and could identify the bacterium, which was named ‘Candidatus Nitrosacidococcus tergens’. The newly discovered bacterium appears to be extremely efficient at trapping ammonia at pH values of 2.5. Scientists had long suspected that there must be a bacterium with these characteristics. DNA traces had already been found in the soil of tea plantations and ‘refuse dumps’ of leaf-eating ants. But it had never been possible to grow the organism in the lab before now.

The bacteria can be used to purify water and air of ammonia, but there is a large disadvantage: a lot of nitric oxide (NO) is released during degradation. Nitrogen oxides can also be found in car exhaust, for example, and, like ammonia, they are not good for the environment.

An important and as yet unresolved question in microbiology is how acidophilice bacteria such as ‘Candidatus Nitrosacidococcus tergens’ handle such large differences in acidity inside and outside of the cell. Exactly how they do this is unknown. Future research will focus on this question.


Ammonia oxidation at pH 2.5 by a new gammaproteobacterial ammonia-oxidizing bacterium

Picone N, Pol A, Mesman R, van Kessel MAHJ, Cremers G, van Gelder AH, van Alen TA, Jetten MSM, Lücker S & Op den Camp HJM (2020) The ISME Journal:

Nieuwe bacterie blijkt efficiënte luchtzuiveraar in extreem zure omgeving

Microbiologen van de Radboud Universiteit hebben een nieuwe bacterie ontdekt die zich voedt met ammoniak en ureum in een extreem zure omgeving. Dat bacteriën bij een zeer lage pH-waarde hiertoe in staat zijn werd als onmogelijk gezien. Het organisme, dat gevonden is in een luchtfilter van een varkensstal, blijkt een ongewoon en ver familielid te zijn van de bekende stikstofafbrekers die normaal gesproken in oceanen gevonden worden. De onderzoekers publiceren erover in The ISME Journal op 10 december 2020.

Wetenschappers vermoedden al dat er een bacterie moest bestaan met deze eigenschappen. Sporen van het DNA werden al eerder gevonden in de bodems van theeplantages en ‘vuilnishopen’ van blad-etende mieren. Het was echter nog niet eerder gelukt om het organisme in het lab te kweken. De Radboud microbiologen gaven het de naam ‘Candidatus Nitrosacidococcus tergens’.

De bacteriën blijken uiterst efficiënt ammoniak weg te kunnen vangen. De onderzoekers ontdekten ze in de biowasser van een Brabantse varkensstal, een systeem dat gebruikt wordt om de lucht uit deze stallen te zuiveren van ammoniak. ‘Het bedrijf had opgemerkt dat de filter in deze stal opvallend goed zuiverde, meer dan in andere stallen’, vertelt Huub Op den Camp. ‘Toen besloten ze ons te vragen om te onderzoeken waar dat aan kon liggen.’

Er bleek een dominante bacterie in het systeem te leven, eentje die goed bleef functioneren ook bij lage pH-waardes van 2,5. Dit in tegenstelling tot andere stikstofverwijderaars die gewoonlijk gebruikt worden in afvalwater- en luchtzuiveringssystemen, die alleen leven bij neutrale pH-waardes.

‘De bacterie kan goed gebuikt worden om water en lucht te zuiveren van ammoniak, maar er is ook een groot nadeel: bij de afbraak komt er ook veel stikstofoxide (NO) vrij. Stikstofoxides zitten bijvoorbeeld ook in uitlaatgassen van auto’s en zijn dus, net als ammoniak, ook niet goed voor het milieu.’

Een belangrijke en nog onbeantwoorde vraag binnen de microbiologie is hoe zuurminnende bacteriën (acidofielen) zoals deze omgaan met zulke grote verschillen in zuurgraad binnen en buiten de cel. Hoe deze bacterie dat precies doet, is nog de vraag. Daar zullen de onderzoekers zich verder op gaan richten.


Ammonia oxidation at pH 2.5 by a new gammaproteobacterial ammonia-oxidizing bacterium

The ISME Journal: :