De ‘black box’ van het microbiele leven

Prof. dr. dr.h.c. ir. Mark van Loosdrecht
Hoogleraar Milieubiotechnologie
Technische Universiteit Delft

1. Wat is de belangrijkste wetenschappelijke ontwikkeling in uw vakgebied?

Mijn vakgebied milieubiotechnologie bevindt zich op het snijvlak van de microbiologie en procestechnologie. Met name in de microbiologie hebben zich de afgelopen jaren zeer snelle ontwikkelingen doorgemaakt op het gebied van DNA- en metabolietanalyse. Dit betekend dat de ‘black box’ die een microbieel ecosysteem ooit was steeds beter bekend wordt en beheerst kan worden in procestechnische installaties. Nog steeds is slechts 1 tot 3 % van alle microbiële leven op aarde bekend, middels DNA en aanverwante technologieën kan de onbekende microbiologische wereld steeds beter in kaart worden gebracht en begrepen.

Aan de procestechnologische kant is er de drive naar van afvalwaterzuivering als end-of-pipe-technologie naar de conversie van afval naar grondstoffen en dan vooral chemicaliën in plaats van energie. Maar ook in de traditionele milieutechnologie kunnen door betere beheersing van de microbiele ecologie nog grote stappen worden gemaakt.

 2. Op welke wetenschappelijke doorbraak hoopt u?

Een beter begrip van microbiele ecologie die eigenlijk nog steeds is gebaseerd op laboratoriumsystemen die meer dan een halve eeuw geleden zijn ontwikkeld. Competie is nu gebaseerd op statische batch en continue cultures, terwijl de wereld dynamisch is (dag-nacht, getijden, variaties in voedselaanbod etc.). Gevolg is dat competitie nu vooral van groeisnelheid wordt bekeken terwijl micro-organismen allerlei andere manieren hebben om gebruik te maken van o.a. dynamische systemen om de competitie in een ecosysteem te winnen. Met name het dynamisch gedrag van micro-organismen beter begrijpen en de manier waarop ze zich in een continu veranderende omgeving aanpassen zal zorgen voor een grote doorbraak in het begrijpen van microbiele ecosystemen maar ook van de evolutie in het algemeen.

Een groot gedeelte van de primaire productie van organisch stof wordt niet gebruikt voor voedselproductie (denk o.a. rest organische materiaal uit de landbouw, organisch afval etc.). Door het opzetten van goede microbiele conversies kunnen deze mengsels van chemische stoffen worden omgezet in nieuwe grondstoffen die als basis kunnen dienen voor chemicaliën. Dit laatste is een essentiële noodzaak voor het komen tot een duurzamere samenleving. Te denken valt aan biopolymeren (bioplastic, alginaat) en bijvoorbeeld lipides.

3. Wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving?

De afgelopen eeuw is de gemiddelde leeftijd met zo’n 20 jaar gestegen, daarvan is de helft te wijten aan de sanitatie en de helft aan betere medische voorzieningen. Deze sanitatie is de belangrijkste waarde die we steeds beter en efficiënter kunne doen, ook doordat we de microbiele ecologie steeds beter beheersen. Zo kunnen we middels de recent ontwikkelde nereda-technologie afvalwater reinigen op 30 % van het oorspronkelijke oppervlak voor 30 % lagere kosten en 25 % minder energieverbruik. Middels de anammox-technologie kunnen we die kosten in de toekomst nog verder verlagen.

Afvalstromen vertegenwoordigen meestal alleen een negatieve waarde met de in ontwikkeling zijnde technologie voor biopolymeren (bioplastic, alginaat) wordt het mogelijk deze een toegevoegde waarde te geven en daarmee oliegebaseerde chemicaliën vervangen.

Een voorbeeld

Door in een aerobe waterzuivering geschikte condities op te leggen vormen bacteriën kleine korrels in plaats van vlokken. Deze korrels bezinken sneller en kunnen daarmee ervoor zorgen dat reactoren veel kleiner en efficiënter kunnen worden ontworpen. Een van de sleutelaspecten is het selecteren op relatief traag groeiende bacteriën. Met een juiste selectie kun je dan zelfs bacteriën ophopen die fosfaat uit afvalwater ophopen en herbruikbaar maken, of bacteriën die op een zeer efficiente manier stikstofverbindingen weer omzetten naar stikstof gas en daarmee de door de mens verstoorde stikstofcyclus in balans brengen. Deze kennis over korrelgroei en microbiele ecologie is toegepast in de ontwikkeling van de Nereda technologie waarvan de eerste reactor in Epe in bedrijf is gegaan en diverse installaties in aanbouw zijn.

Dit korrelslib dankt zijn stabiliteit aan microbiele alginaten. Een polymeer met zeer veel toepassingsmogelijkheden. Nu is de aanvoer gelimiteerd omdat die gewonnen uit op zee opgeviste algen. Door het korrelslib speciaal te behandelen kunnen we de alginaateproductie verder verhogen en zo afval in alginaat omzetten.

Onder dynamische condities kunnen bacteriën reservevetten maken. Een van die stoffen is PHA een bioplastic dat sterk op polyethyleen lijkt. Dit PHA wordt nu industrieel gemaakt met genetisch gemodificeerde organismen en suiker als grondstof. Middels een bij ons ontwikkeld proces kunnen we dat met een microbiele mengpopulatie doen op basis van afval. Niet alleen zijn de kosten veel lager maar ook wordt afval een tweede leven gegeven, b.v als koffiebekertje. Daarnaast heeft dit onderzoek veel inzicht gegeven in de microbiele dynamica en diversiteit.


Andere bijdragen in DNA, Technische Wetenschappen