Isolatie van aeroob denitrificerende bacteriën Stutzerimonas stutzeri en toepassing in de zuivering van cokewater

Waarom het schoonmaken van fabriekswater belangrijk is

Staalproductie en andere zware industrieën gebruiken speciale ovens om steenkool om te zetten in cokes, een brandstof die hoogovens draaiende houdt. Hierbij ontstaan donkergekleurde, chemisch belaste afvalwaters. Dit water bevat hoge concentraties stikstofverbindingen en hardnekkige organische verontreinigingen die toxische algenbloei kunnen veroorzaken, vis kunnen vergiftigen en drinkwater kunnen verontreinigen. De studie achter dit artikel onderzoekt hoe een van nature voorkomend bacterie, geïsoleerd uit het afvalwater van een cokefabriek, kan worden ingezet als een levend hulpmiddel om gevaarlijke stikstof- en organische verontreiniging uit deze lastige afvalstroom te verwijderen.

Een lastig soort afvalwater

Cokewater behoort tot de vuilste industriële lozingen. Het bevat stikstof in vele vormen — zoals nitraat, nitriet en ammonium — samen met complexe organische chemicaliën, waarvan sommige kankerverwekkend zijn. Wanneer dit ongezuiverd wordt geloosd, voedt die stikstof explosieve groei van algen en waterplanten, wat leidt tot zuurstoftekorten die vissen en ander waterleven verstikken. Bij mensen kan een teveel aan nitraat de zuurstoftransportcapaciteit van zuigelingen aantasten en bijdragen aan de vorming van kankerverwekkende verbindingen. Door deze combinatie van zoutgehalte, stikstof en toxische organische stoffen is cokewater moeilijker te behandelen dan gewoon stedelijk afvalwater en stelt het conventionele zuiveringsinstallaties op de proef.

Een hulp-microbe vinden in het eigen afval

De onderzoekers verzamelden water uit een laagzuurstofzone van een cokefabriek en kweekten de aanwezige microben onder condities die gunstig waren voor organismen die nitraat kunnen verwijderen. Na een zorgvuldige reeks verdunnings- en zuiveringsstappen isoleerden ze verschillende bacteriestammen en identificeerden ze de meest veelbelovende met DNA-sequencing van het 16S rRNA-gen. Deze stam, genoemd Stutzerimonas stutzeri KA1, behoort tot een groep die al bekendstaat om het omzetten van nitraat in onschadelijk stikstofgas. Het team vergeleek vervolgens hoe goed verschillende stammen nitraat verlaagden in een gecontroleerd laboratoriummedium. KA1 bleek uit te blinken door nitraatconcentraties snel te verlagen onder warme, zacht geroerde omstandigheden, wat het tot een prima kandidaat voor industrieel gebruik maakt.

Testen wat deze bacterie aankan

Om te zien hoe KA1 mogelijk presteert in echte zuiveringssystemen varieerden de onderzoekers één factor per keer: het type voedingsbron, de verhouding koolstof tot stikstof, het zuurstofniveau en de zuurgraad (pH). Ze ontdekten dat eenvoudige, gemakkelijk afbreekbare koolstofbronnen het beste werkten, waarbij natriumacetaat KA1 in staat stelde bijna al het nitraat binnen ongeveer 40 uur te verwijderen. Een tussenliggende C/N-verhouding gaf de snelste verwijdering; te weinig koolstof deed de bacteriën verhongeren, terwijl een overschot geen verdere verbetering bracht. Verrassend genoeg bleef KA1 werken over een breed scala aan opgeloste zuurstofniveaus — van geen zuurstof tot volledig beluchte omstandigheden — wat suggereert dat het blijft denitrificeren zelfs wanneer er lucht in de tanks wordt geblazen. Het behield ook bijna volledige nitraatverwijdering bij pH 6 tot 10, een ruime range die veel reële afvalwaters dekt. Deze eigenschappen wijzen op een robuuste microbe die schommelende omstandigheden tolereert zonder effectiviteit te verliezen.

Van kolf naar werkende reactor

Het team ging daarna van kleine kolven naar miniatuurzuiveringssystemen genaamd sequencing batch reactors, die cycli in echte installaties nabootsen. Alle reactoren kregen geactiveerd slib, het gebruikelijke mengsel van microben in zuivering, maar slechts twee werden “gebioaugmenteerd” met extra KA1. Over herhaalde bedrijfscycli verwijderden alle reactoren aanvankelijk wat nitraat, wat liet zien dat de inheemse microben al actief waren. Naarmate de tijd vorderde verslechterde de prestatie van de niet-geaugmenteerde reactor, terwijl de met KA1 verrijkte reactoren bleven verbeteren en uiteindelijk duidelijk hogere nitraatverwijdering bereikten, zelfs onder zoute omstandigheden die andere bacteriën vaak remmen. De studie volgde ook de chemische zuurstofvraag (COD), een brede maat voor organische verontreiniging, en vond dat KA1-behandelde systemen deze organics sneller afbraken dan de controles, waardoor de COD-waarden sneller naar nul gingen.

Wat dit betekent voor schonere industrie

Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat de onderzoekers een robuuste “opruim”-bacterie hebben gevonden en getest die gedijt in het uiterst vijandige water dat hij moet behandelen. Stutzerimonas stutzeri KA1 kan bijna alle nitraat verwijderen binnen een realistische range van zuurstof-, zout- en pH‑condities, terwijl hij ook helpt bij het verwijderen van andere organische verontreinigingen. Wanneer toegevoegd aan standaard zuiveringssystemen, versterkt hij zowel stikstof- als COD-verwijdering boven hetgeen de bestaande microbiegemeenschap alleen kan bereiken. Omdat hij efficiënt werkt en barre omstandigheden tolereert, zou KA1 het goedkoper en eenvoudiger kunnen maken voor staal- en cokefabrieken om aan milieunormen te voldoen, waardoor de last van stikstofgedreven waterverontreiniging vermindert en rivieren, meren en kustecosystemen stroomafwaarts beter worden beschermd.

Bronvermelding: Naseer, K., Ashfaq, K., Shamim, A. et al. Isolation of aerobic denitrifying bacteria Stutzerimonas stutzeri and its application in coking wastewater treatment. Sci Rep 16, 8717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43338-6

Trefwoorden: cokewater, aerobe denitrificatie, Stutzerimonas stutzeri, bioaugmentatie, stikstofverwijdering