Contaminación ambiental Estados Unidos Medio Ambiente

Los investigadores rastrean los efectos de los huracanes en la contaminación de los ríos y las bacterias benéficas


En un lluvioso sábado de octubre, los estudiantes graduados Arianna Sherman y Weitao Shuai estacionaron su automóvil en un camino rural en Hillsborough, Carolina del Norte, junto a un puente. 


por Molly Sharlach, Universidad de Princeton


En botas de goma, se metieron en una corriente fangosa para comenzar a investigar cómo los desechos de la granja y una tormenta gigante pueden haber alterado un ecosistema.

Sherman y Shuai, ambos miembros del grupo de investigación Peter Jaffe en ingeniería civil y ambiental , habían venido a investigar el ciclo de los nutrientes y la contaminación a lo largo del río Neuse a raíz del huracán Florence, una tormenta de septiembre que empapó el este de Carolina del Norte con más de 20 pulgadas. Llovió y provocó inundaciones casi a lo largo del río. Sherman y Jaffe habían finalizado recientemente un estudio de dos años sobre el Neuse, pero extendieron su proyecto para explorar los efectos del huracán.

Gran parte del Neuse está recubierto de granjas porcinas, y mientras que algunos de los desechos de los animales se tratan y se usan como fertilizantes, muchos nutrientes en exceso de las piscinas al aire libre de las granjas llegan al río. Esta sobrecarga de nutrientes a base de nitrógeno puede llevar a la proliferación de algas dañinas que amenazan la calidad del agua e interrumpen el ecosistema.

«Cuando tienes todas estas inundaciones, los depósitos de residuos que contienen nitrógeno se desechan y todos bajan la corriente», dijo Sherman. «Sabíamos que los agricultores tardarían un tiempo en recuperar sus operaciones en línea» después de la tormenta, agregó. «Con este lavado de nitrógeno que sale de los pozos de agua y luego no más carga de nitrógeno durante un período de tiempo, queríamos ver cómo reaccionaría el sistema».

Durante un mes, después de una tormenta de lluvia menor, después del huracán, los dos estudiantes llenaron los tubos de ensayo con agua y empujaron un tubo largo de metal a la basura para recoger tierra. De vuelta en su laboratorio en Princeton, Sherman está examinando las muestras para comprender un proceso químico llamado Feammox, que el equipo de Jaffe descubrió por primera vez en un humedal de Nueva Jersey en 2004. Jaffe y otros ahora reconocen a Feammox como un avance potencial para eliminar los contaminantes del nitrógeno.

En la reacción de Feammox, ciertas bacterias pueden descomponer (oxidar) el amonio, un componente importante de los desechos de cerdo a base de nitrógeno. Esta reacción es un paso inicial clave en la conversión de contaminantes de nitrógeno en gas nitrógeno inofensivo. Críticamente, las bacterias Feammox llevan a cabo la reacción en ausencia de oxígeno. Mientras que las plantas de tratamiento de aguas residuales generalmente consumen una gran cantidad de energía forzando el aire hacia las aguas residuales para facilitar la limpieza, Feammox tiene el potencial de remediar la contaminación en el suelo y las aguas subterráneas donde hay poco oxígeno disponible.

Los investigadores rastrean los efectos de los huracanes en la contaminación de los ríos y las bacterias benéficas
Los estudiantes graduados del grupo de investigación de Peter Jaffe toman muestras de suelo a lo largo del río Neuse y sus afluentes. De vuelta en su laboratorio en Princeton, los investigadores examinan las muestras para comprender un proceso químico llamado Feammox, un avance potencial en la eliminación de contaminantes de nitrógeno. Crédito: Christobal Perez / Azul Photography

Los suelos del río Neuse son ácidos y ricos en hierro, y proporcionan las condiciones ideales para el proceso de Feammox, dijo Jaffe, el profesor de ingeniería civil William L. Knapp ’47 y director asociado de investigación en el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente de Princeton. Feammox requiere reabastecimiento periódico con hierro oxidado o óxido natural, que absorbe un electrón sobrante durante el proceso de Feammox en un paso conocido como reducción. «Es posible que una gran tormenta exponga el hierro fresco, así que queríamos examinar si el proceso se rejuvenece por las inundaciones». El huracán Florence presentó «una oportunidad única para comprobarlo», dijo Jaffe.

Sherman y Shuai recolectaron muestras de suelo y agua en seis sitios a lo largo del Neuse y sus afluentes, incluida un área aguas arriba de las granjas porcinas para estudiar los niveles de contaminantes y los procesos químicos que se producen antes de una fuerte contaminación. Sherman está analizando el proceso de Feammox en cada sitio midiendo las concentraciones de amonio y otros compuestos que contienen nitrógeno, así como los niveles de diferentes formas de hierro.

La secuenciación del ADN extraído del suelo revelará qué tipos de bacterias están presentes; El trabajo previo del laboratorio ha demostrado que una cepa en la familia Acidimicrobiaceae es responsable de la reacción de Feammox. Para obtener información sobre los efectos de las inundaciones, los investigadores compararán muestras post-huracán con las recolectadas cuatro meses antes en condiciones más típicas.

Sherman está evaluando si la bacteria Feammox de Neuse puede, además de modificar el hierro, reducir químicamente una forma de selenio que a menudo contamina las áreas agrícolas. El selenio es un mineral esencial que se agrega como complemento a los alimentos para animales. El exceso de selenio se lava en los ecosistemas acuáticos, donde puede alcanzar niveles tóxicos. El proceso de Feammox puede convertir los compuestos de selenio en formas que son mucho menos móviles en el medio ambiente.

«Nuestro enfoque es observar un proceso muy fundamentalmente en condiciones de laboratorio controladas, y luego ver si podemos ir al campo y medirlo», dijo Jaffe. «Así es como pasamos del laboratorio al campo y, finalmente, a la escala de la cuenca».

Mientras recolectaban muestras de suelo y agua, Sherman y Shuai también dejaron algo detrás: pegaron pequeños electrodos en el suelo en cada sitio de muestreo. En el trabajo publicado en la edición de diciembre de 2018 de Applied and Environmental Microbiology , el equipo de Jaffe encontró que las bacterias Feammox pueden colonizar dichos electrodos, con el extremo positivo o ánodo, sustituyendo a los compuestos de hierro oxidado. Si los organismos en el Neuse también pueden llevar a cabo el Feammox en los electrodos, esto aumentará la posibilidad de usar bacterias para limpiar la contaminación de nitrógeno sin la necesidad de fuentes de hierro.

Los investigadores regresaron recientemente para recuperar los electrodos y planean volver a muestrear cada sitio esta primavera. Sus análisis en curso mostrarán los efectos a largo plazo del huracán sobre la contaminación y la vida microbiana a lo largo del Neuse, al tiempo que revelan formas de limpiar dichos ecosistemas críticos.


Más información: Melany Ruiz-Urigüen et al. Colonización de electrodos por la bacteria Feammox Bacterium Acidimicrobiaceae sp. Cepa A6, Microbiología Aplicada y Ambiental (2018). DOI: 10.1128 / AEM.02029-18Información de la revista: Microbiología Aplicada y Ambiental.Proporcionado por la Universidad de Princeton


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