En un lluvioso sábado de octubre, Los estudiantes graduados Arianna Sherman y Weitao Shuai estacionaron su automóvil junto a un puente en una carretera rural en Hillsborough, Carolina del Norte. En botas de goma Se metieron en un arroyo fangoso para comenzar a investigar cómo los desechos agrícolas y una tormenta gigante pueden haber alterado un ecosistema.

Sherman y Shuai, ambos miembros del grupo de investigación de Peter Jaffe en ingeniería civil y ambiental, había venido a investigar el ciclo de 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 de lluvia y provocó inundaciones casi récord a lo largo del río. Sherman y Jaffe habían concluido recientemente un estudio de dos años sobre el Neuse, pero extendió su proyecto para explorar los efectos del huracán.

Gran parte del Neuse está bordeada de granjas de cerdos, y aunque algunos de los desechos de los animales se tratan y se utilizan como fertilizante, muchos nutrientes excedentes de los pozos negros al aire libre de las granjas se vierten en el río. Esta sobrecarga de nutrientes a base de nitrógeno puede provocar la proliferación de algas nocivas que amenazan la calidad del agua y alteran el ecosistema.

"Cuando tienes toda esta inundación, las piscinas de desechos que contienen nitrógeno se lavan, y todos vienen río abajo, ", dijo Sherman." Sabíamos que los agricultores tardarían un tiempo en volver a poner en funcionamiento sus operaciones "después de la tormenta, ella añadió. "Con esta descarga de nitrógeno que sale de los pozos negros y luego no hay más carga de nitrógeno durante un período de tiempo, queríamos ver cómo reaccionaría el sistema ".

Trabajando a través de una tormenta más pequeña un mes después del huracán, los dos estudiantes llenaron tubos de ensayo con agua y empujaron un tubo largo de metal 30 centímetros en el lodo para recolectar 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 en la eliminación de contaminantes de nitrógeno.

En la reacción de Feammox, ciertas bacterias pueden degradar (oxidar) el amonio, un componente importante de los desechos porcinos a base de nitrógeno. Esta reacción es un primer paso clave para convertir los contaminantes nitrogenados 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 mucha energía y empujan 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 suelos del río Neuse son ácidos y ricos en hierro, proporcionando las condiciones ideales para el proceso Feammox, dijo Jaffe, el Profesor William L. Knapp '47 de Ingeniería Civil y director asociado de investigación en el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente de Princeton. Feammox requiere una reposición periódica con hierro oxidado, u óxido natural, que absorbe un electrón sobrante durante el proceso Feammox en un paso conocido como reducción. "Es posible que una gran tormenta exponga hierro fresco, así que queríamos examinar si el proceso se rejuvenece con 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, incluyendo un área aguas arriba de las granjas porcinas para estudiar los niveles de contaminantes y los procesos químicos que ocurren antes de una fuerte contaminación. Sherman está analizando el proceso Feammox de cada sitio midiendo las concentraciones de amonio y otros compuestos que contienen nitrógeno. así como niveles de diferentes formas de hierro.

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

Sherman está probando si las bacterias Feammox de Neuse pueden, 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 la alimentación animal. El exceso de selenio llega a los ecosistemas acuáticos, donde puede alcanzar niveles tóxicos. El proceso Feammox puede convertir los compuestos de selenio en formas mucho menos móviles en el medio ambiente.

"Nuestro enfoque es observar un proceso 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 eventualmente a la escala de la cuenca ".

Mientras recolectaban muestras de suelo y agua, Sherman y Shuai también dejaron algo atrás:clavaron pequeños electrodos en el suelo en cada sitio de muestreo. En el trabajo publicado en la edición de diciembre de 2018 de Microbiología aplicada y ambiental , El equipo de Jaffe descubrió que las bacterias Feammox pueden colonizar tales electrodos, con el final positivo, o ánodo, sustituyendo a los compuestos de hierro oxidado. Si los organismos en el Neuse también pueden realizar Feammox en electrodos, esto impulsará aún más la posibilidad de utilizar bacterias para limpiar la contaminación por nitrógeno sin la necesidad de fuentes de hierro.

Los investigadores regresaron recientemente para recuperar los electrodos, y planee 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 revela formas de limpiar ecosistemas tan críticos.