Een verrassend experiment met rioolslib
Onderzoekers van de Johns Hopkins University stelden zichzelf een opmerkelijke vraag: kunnen gewone houtafbrekende paddenstoelen farmaceutische resten in rioolslib afbreken voordat dat slib als meststof op landbouwgrond wordt uitgereden? De uitkomsten verraste zelfs de wetenschappers zelf.
Moderne antidepressiva en andere psychofarmaca zijn ontworpen om intensief in te werken op de hersenen en lang in het lichaam te blijven. Na gedeeltelijke uitscheiding belanden ze in het riool — en sommige mensen spoelen ongebruikte pillen rechtstreeks door de wc. Zuiveringsinstallaties verwijderen het grootste deel van de verontreinigingen, maar niet alle werkzame stoffen worden even makkelijk geneutraliseerd.
Wat zijn biosoliden en waarom vormen ze een probleem
Na de behandeling van afvalwater blijft er een dik, voedingsstofrijk materiaal over: de zogenaamde biosoliden, oftewel verwerkt rioolslib. In de VS en veel andere landen wordt dit gebruikt als bodemverbeteraar in de landbouw. Het probleem is dat daarmee ook sporen van medicijnen, waaronder antidepressiva en anxiolytica, op de akkers terechtkomen.
Verschillende studies suggereren dat zelfs minimale hoeveelheden farmaceutische stoffen in het milieu het gedrag van water- en landdieren kunnen beïnvloeden, met mogelijke gevolgen voor de volksgezondheid. Er bestaat nog geen sluitend bewijs dat zulke concentraties schadelijk zijn voor mensen die producten eten van grond bemest met biosoliden. Wetenschappers benadrukken echter dat veel van deze verbindingen uiterst moeilijk afbreekbaar zijn en lange tijd in het milieu kunnen blijven.
Hoe witrotschimmels de taaisteaste materialen in de natuur afbreken
Het onderzoeksteam richtte zich op organismen die al miljoenen jaren een van de taaiste materialen in de natuur aanpakken: hout. Het gaat om de zogenaamde witrotschimmels, bekend om hun vermogen om lignine — de uiterst sterke “lijm” van hout — af te breken.
Anders dan veel bacteriën scheiden deze schimmels krachtige en weinig selectieve enzymen uit in hun omgeving. Ze richten zich niet op één specifieke doelmolecuul, maar vallen een breed spectrum aan complexe organische verbindingen aan en breken die af in kleinere, doorgaans makkelijker afbreekbare fragmenten.
De onderzoekers concentreerden zich op twee bekende soorten. Pleurotus ostreatus is de veelvoorkomende oesterzwam, verkrijgbaar in elke supermarkt. Trametes versicolor is de kleurrijke paddenstoel die op boomstronken groeit en vaak elfenbankje wordt genoemd. Beide soorten zijn uitgebreid bestudeerd, makkelijk te kweken en worden al langer ingezet in diverse milieu-experimenten.
De wetenschappers van de Johns Hopkins University namen biosoliden van een stedelijke rioolwaterzuivering en verrijkten die kunstmatig met negen geneesmiddelen die inwerken op het centrale zenuwstelsel, waaronder veelgebruikte antidepressiva zoals citalopram en trazodon.
Hoe het experiment met het rioolslib verliep
Het zo voorbereide materiaal werd het substraat waarop het mycelium van Pleurotus ostreatus en Trametes versicolor mocht groeien. De schimmels werden maximaal zestig dagen op het slib gekweekt, terwijl de onderzoekers regelmatig de hoeveelheid nog aanwezige werkzame stoffen in de monsters maten.
De resultaten toonden aan dat beide soorten de meeste geteste medicijnen aanpakten, waarbij de concentraties in talrijke gevallen vrijwel tot nul daalden. Ter vergelijking werden parallelle experimenten uitgevoerd in een klassiek vloeibaar laboratoriummedium zonder biosoliden, om na te gaan in hoeverre de aanwezigheid van een echte “mengelmoes” aan verontreinigingen de afbraakefficiëntie beïnvloedde.
Na twee maanden myceliumactiviteit hadden beide soorten de concentraties van acht van de negen medicijnen verlaagd. Het verwijderingspercentage varieerde van ongeveer vijftig procent tot bijna volledige eliminatie van het geneesmiddel uit de biosoliden. Pleurotus ostreatus in het bijzonder liet uitzonderlijke prestaties zien en reinigde de monsters voor sommige geneesmiddelen vrijwel volledig.
Een bijzonder interessante bevinding: in bepaalde gevallen verliep de medicijnafbraak efficiënter in aanwezigheid van biosoliden dan in een eenvoudige synthetische oplossing. Dit geeft aan dat tests die alleen in vloeibare fase worden uitgevoerd, het werkelijke gedrag van de technologie onder operationele omstandigheden niet altijd nauwkeurig weerspiegelen.
Verbergen de schimmels de medicijnen of breken ze ze echt af?
De onderzoekers schonken bijzondere aandacht aan wat er precies met de farmaceutische moleculen gebeurt na contact met het mycelium. De centrale vraag luidde: absorberen de schimmels de geneesmiddelen enkel, of breken ze die werkelijk af tot minder schadelijke componenten?
Geavanceerde massaspectrometrie leverde het antwoord, doordat daarmee de veranderingen in de chemische samenstelling van de monsters in de tijd konden worden gevolgd. Er werden meer dan veertig nieuwe verbindingen geïdentificeerd die ontstonden door de werking van schimmelenzymen. In veel gevallen werden medicijnmoleculen gesplitst in kleinere fragmenten of “geoxideerd”, dat wil zeggen voorzien van een extra zuurstofatoom.
Uit de toxiciteitsanalyse blijkt dat de afbraakproducten over het algemeen minder gevaarlijk zijn dan de oorspronkelijke geneesmiddelen, wat duidt op een echte “ontgifting” en niet slechts een verplaatsing van het probleem. Om de potentiële schadelijkheid van deze nieuwe verbindingen voorlopig te beoordelen, werd een op chemo-informatica gebaseerd instrument van de EPA ingezet.
Het model toonde aan dat de meeste omzettingsproducten vermoedelijk veiliger zijn voor levende organismen dan de oorspronkelijke werkzame stoffen. Dat is een zeer belangrijk signaal voor beleidsmakers en planners van nieuwe zuiveringstechnologieën.
Wat is mycoaugmentatie en hoe kan het zuiveringsinstallaties helpen
In de wetenschappelijke literatuur duikt steeds vaker de term mycoaugmentatie op, waarmee de gerichte introductie van schimmels in verontreinigde omgevingen wordt bedoeld om de afbraak van schadelijke stoffen te versnellen. Het onderzoek van de Johns Hopkins University levert sterke argumenten voor deze aanpak, ook bij de behandeling van rioolslib.
Witrotschimmels bieden verschillende praktische voordelen ten opzichte van dure chemische technieken of geavanceerde filters:
- ze groeien op vaste materialen zoals biosoliden zonder complexe infrastructuur te vereisen
- ze werken onder gematigde omstandigheden, zonder hoge temperaturen of druk
- ze komen veel voor in de natuur, zijn goed bestudeerd en goedkoop te kweken
- de enzymen die ze produceren breken hele categorieën verbindingen af, niet slechts één enkel verontreinigende stof
- voor de basale metabolische processen is geen elektrische energie nodig
- de afbraakproducten zijn minder toxisch dan de oorspronkelijke geneesmiddelen
Vanuit het perspectief van zuiveringsinstallaties is het idee van een module waarin biosoliden vóór transport naar het land een soort “schimmelbehandeling” ondergaan, erg aantrekkelijk. Deze extra fase zou bestaande processen kunnen aanvullen en het algehele niveau van milieuveiligheid verhogen.
Voor burgers herinnert dit verhaal eraan dat een slaappil of antidepressivum niet spoorloos verdwijnt. Een deel ervan belandt in de zuiveringsinstallatie en komt van daaruit, in veranderde vorm, in de omgeving terecht. Ook al zijn de werkelijke doses minimaal, het toenemende gebruik van antidepressiva duwt onderzoekers in de richting van steeds verfijndere en effectievere behandelingsmethoden.
De uitdagingen die schimmels nog moeten overwinnen voor grootschalige toepassing
Ondanks de veelbelovende resultaten is de weg naar industrieel gebruik nog lang. Allereerst moet worden nagegaan hoe de schimmels omgaan met de volledige “soep” van verontreinigingen in echt slib afkomstig van verschillende installaties, en niet alleen met negen geselecteerde geneesmiddelen.
Een ander knelpunt betreft het behoud van het biologische evenwicht. In grootschalige installaties wemelt het in de biosoliden van bacteriën en andere micro-organismen die met het mycelium kunnen concurreren om ruimte en voedingsstoffen. Bovendien is het essentieel te garanderen dat eventuele omzettingsproducten van farmaceutische verbindingen zich op de lange termijn niet ongewenst ophopen in de bodem of het water.
Voor boeren die biosoliden gebruiken, zou een dergelijke “schimmelvoorbehandeling” in de toekomst een concrete garantie kunnen bieden dat ze een meststof met een lagere chemische belasting inzetten. Voor beheerders van zuiveringsinstallaties zou het een manier zijn om steeds strengere normen voor microverontreinigingen na te leven, zonder enorme investeringen in geavanceerde membraantechnologieën.
Tot slot is er een overweging van groot belang. Dezelfde enzymen waarmee schimmels lignine en psychofarmaca aanvallen, zouden nuttig kunnen zijn bij de afbraak van andere hardnekkige verontreinigende stoffen, zoals pesticiden of bepaalde cosmetische ingrediënten. Als toekomstige studies de effectiviteit van deze aanpak bevestigen, zouden Pleurotus ostreatus en zijn “verwanten” vaste onderdelen kunnen worden van het moderne beheer van afvalwater.
