27 november 2001 (Volkskrant)

Met een nieuwe bacterie zijn waterzuiveraars in staat veel compacter te bouwen en minder energie en chemicaliën te gebruiken. Collega‘s die de ruimte hebben, willen er nog niet aan.

In de hal hangt een lichte geur van rotting en bederf. De putlucht valt echter mee als je bedenkt dat hier op een diepte vanvan tien meter het rioolwater van driehonderdduizend bewoners plus tal van bedrijven in Rotterdam-Centrum en Rotterdam-Zuid wordt gezuiverd. De rioolwaterzuivering Dokhaven, bouwjaar 1987, is nochtans de enige ondergrondse afvalwaterzuivering in Nederland. de installatie meet vier hectare en ligt in twee niveaus, half verzonken in de Oude Maas, op de zuidoever in een gedempte dokhaven. Bovengronds liggen de eerste woningen en flats op amper vijf meter van de installatie. Op het dak is een park aangelegd.

Het intensieve gebruik van elke vierkante meter blokkeert verdere uitbreiding van de installatie. Nog één etage in de diepte bouwen is , net als in de richting van de rivier uitbreiden, technisch onmogelijk. De ondergrond is volledig gevuld met bassins waarin bacteriën urine en fecaliën stapsgewijs afbreken. Aan het eind van de hal stroomt redelijk schoon water in een goot. “Dit water pompen we naar de Maas”, zegt ing. Andy Schellen, afvalwatertechnoloog van Zuiveringsschap Hollandse Eilanden en Waarden. “Het is schoner dan Maaswater.” 

Schellen moet woekeren met de ruimte. Strengere lozingseisen voor met name nitraat maken daarom dat het zuiveringsschap zijn toevlucht neemt tot een uiterst compacte reactor. daarin zwemt een nieuw ontdekte bacterie die op onorthodoxe wijze korte metten maakt met de stikstofverbindingen ammonium en nitriet. Nitraat, berucht vanwege zijn bemestende eigenschappen, ontstaat daarbij slechts in zeer beperkte mate. 

Anamnox heet het proces en de nieuwe telg in de omvangrijke familie van waterzuiverende bacteriën luistert naar de naam Brocadia anammoxidans. Onder strikt zuurstofloze condities zet de bloedrood gekleurde bacterie schadelijke stikstofverbindingen om in het onschuldige stikstofgas.

Het is voor het eerst ter wereld dat de slanke installatie, slechts zeventig kubieke meter groot, in de commerciële afvalwaterzuivering van honderdduizenden mensen wordt toegepast. De vinding stamt van Gist Brocades dat zijn research begin jaren negentig overdroeg aan microbiologen van de Technische Universiteit Delft en later aan de Katholieke Universiteit Nijmegen.“De onderzoekers wisten de bacterie, die van nature in afvalwater voorkomt, te isoleren, te kweken en de optimale werkomstandigheden voor het minuscule organisme te ontdekken”, vertelt Schellen.

Opmerkelijk is dat de stikstofreactie een tussenstap kent waarbij hydrazine wordt gevormd, een stof die beter bekend is als raketbrandstof. “Voor zover bekend is B. anammox de enige bacterie die dit kunstje kan vertonen”, zegt dr. Marc Strous, die op de KU Nijmegen onderzoek verricht naar de omstandigheden waaronder het organisme optimaal aan de slag gaat.

De zuurstofloze omzetting van ammonium in stikstof krijgt het organisme voor elkaar doordat het over uitzonderlijke hoeveelheden ijzer beschikt. Strous: “Dat zijn dezelfde stoffen die ervoor zorgen dat bloed rood is. Daarom kleurt de bacterie in de reactor bloedrood.” 

Ook conventionele zuiveringsinstallaties, met de grote beluchtingtanks en de bekende ronde bezinkbassins, zijn in staat de stikstofverbindingen om te zetten in zuiver stikstofgas. Dat vreet echter ruimte, energie, chemicaliën en geld. “Ga maar na”, zegt Schellen. “Eerst wordt het ammonium uit onder meer urine door micro-organismen omgezet in nitraat en nitraat. Deze nitrificatie kost veel zuurstof en energie. Daarna wordt nitraat onder zuurstofloze omstandigheden door andere bacteriën - en soms bovendien met chemicaliën - omgezet in stikstofgas.”

De anammox-bacterie neemt een andere route in deze stikstofkringloop. In het eerste deel van het proces (Sharon-reactie) wordt de helft van het aanwezige ammonium omgezet in nitriet; in de anammox-reactie wordt dit nitriet samen met de rest van het ammonium direct omgezet in stikstofgas. Daarbij wordt de energie vretende tussenfase van nitraatvorming dus overgeslagen.

De Sharon-reactor staat al in Rotterdam en deze maand begint de bouw van anammox-reactor. Overigens heeft het zuiveringsschap daarvoor vijfhonderd meter verderop bovengronds een plekje gevonden.

Het nieuwe proces is een duurzame doorbraak; “Tien keer zo goedkoop, geen chemicaliën, bijna tien keer zo weinig energie en dus tien keer minder CO₂”, zegt dr. Cees Buisman, directeur van Paques uit Balk.  “Ten opzichte van de conventionele installaties volstaat bovendien de helft van de ruimte”, voegt zijn collega ir. Carl Schutz van Paques toe. De Friese watertechnologen ontwikkelden de reactor en schaalden het proces vanaf 1998 van laboratoriumschaal op naar commerciële praktijk.

Het nieuwe proces kost twee miljoen gulden, maar het zuiveringsschap zal dat geld in zes tot zeven jaar terugverdienen.  “Ongekend snel voor een milieu-investering in de nutswereld”, weet schellen. met het proces kan zelfs een relatief oude installatie als de ondergrondse in Rotterdam nagenoeg voldoen aan aan de moderne stikstofeisen. De lozingsafspraken van Rijn- en Noordzeeprogramma‘s worden de komende jaren flink aangescherpt.

Nieuwbouwinstallaties kunnen met het nieuwe proces al helemaal snel winst boeken en ruimte besparen, zo lijkt het. Toch nemen Harnaspolder en Amsterdam-West, twee nieuwe, gigantische rioolwaterzuiveringsinstallaties, hun toevlucht tot conventionele technieken. midden in de drukke Randstad worden vele hectaren opgeofferd aan grote betonnen bakken. Hoogheemraadschap Delfland, opdrachtgever van Harnaspolder, waar het afvalwater van 1.4 miljoen mensen zal worden gezuiverd, zegt over ‘voldoende ruimte voor het beton’ te beschikken.  “Onze adviseurs hebben bovendien berekend dat het goedkoper is dan de anammoxvinding”, aldus ir. Michael Bentvelsen, projectleider van de Harnaspolder.

Zijn collega Schellen zegt echter met de compacte techniek 250 miljoen gulden te besparen.  “Dat zou BV Nederland zich toch moeten aantrekken.” 

Zie voor meer informatie www.anammox.com

Historie: Wetenschappers geloven dat ongeveer 1,5 miljard jaar geleden eukaryote cellen hun benodigde energie verkregen door een serie relatief inefficiënte reacties, waarbij geen zuurstof nodig was. Zuurstof, dat een afvalproduct van enkele van deze processen was, begon zich langzaam in de atmosfeer op te bouwen. Wetenschappers denken dat tijdens deze periode een primitieve eukaryote cel een primitieve bacterie heeft "verslonden" die het vermogen had gekregen zuurstof te gebruiken om grote hoeveelheden energie te produceren. Over miljoenen jaren begon er een symbiotische relatie te ontstaan tussen de cellen en vandaag de dag hebben alle cellen van planten en dieren organellen die de afstammelingen zijn van deze oorspronkelijke energiefabriekjes. In dierlijke cellen worden deze organellen mitochondriën genoemd. Planten hebben naast mitochondriën nog een tweede soort energie producerend organel, namelijk de chloroplast.

De endosymbiose theorie : De intracellulaire organisatie van de levende cel , bestaande uit gespecialiseerde organellen, maken complexe levensvormen mogelijk. Het is onbetwistbaar, gezien de getuigenis van vele fossielen, dat eencellige organismen met weinig of geen intracellulaire organisatie eens de aarde domineerden. Bij het begin van het leven (zoals dat gedefinieerd wordt), regeerden blauwgroene algen de planeet. Zij namen echter na 1,6 miljard jaar in hoeveelheid af, doordat ze zuurstof produceerden. Deze zuurstof kon bij een bepaald kritisch punt niet langer meer door de oceanen worden geabsorbeerd en in de atmosfeer begon de concentratie toe te nemen. De blauwgroene algen maakten plaats voor andere celgebaseerde organismen die konden groeien in een zuurstofrijke omgeving. Deze nieuwe organismen markeerden de oorsprong van de eukaryote cel (eukaryoot:  een organisme waarvan de cellen een kern bezitten die omgeven is door een kernmembraan), die ongeveer verscheen toen het zuurstofniveau tot ongeveer 3 % van zijn huidige niveau was gestegen. (Crawford and Marsh, 1995, p. 69 ). Hoewel deze algemene chronologie als feit geaccepteerd wordt, bestaat er geen zekerheid over hoe de eukaryote cel op het toneel verscheen en, meer specifiek, hoe de eukaryote mitochondrion op het toneel verscheen.

Darwinisten, of voorstanders van de natuurlijke selectie theorie, zullen argumenteren dat de blauwgroene algen muteerden, waarbij over een periode van miljoenen jaren selectieve gunstige mutaties werden gemaakt, totdat door competitie en selectie een winnende combinatie de algen ( als een andere levensvorm ) in staat stelden te overleven in een zuurstofrijke omgeving. Anderen geloven dat symbiose, en meer specifiek de endosymbiose, het begin van de eukaryote cel was. Deze theorie die voorgestaan wordt door Lynn Margulis in haar boek “Symbiosis in Cell Evolution “ uit 1981 bepleit de volgende chronologie : 

• Blauw-groene algen, later cyanobacteriën genoemd, produceerden zuurstof als een bijproduct van de fotosynthese, waarbij de zuurstof in staat werd gesteld zich op te bouwen in de atmosfeer.

• Naast cyanobacteriën ontwikkelden zich andere bacteriën waarvan sommige aërobe (zuurstof gebruikende)  mogelijkheden hadden.

• Anaërobe, heterotrofe cellen (proto-eukaryote cellen) namen deze cellen in of verzwolgen deze aërobe bacteriën en ontwikkelden een gezamenlijke nuttige relatie.

Hoe konden beide soorten daar voordeel uit halen?  De ingenomen aërobe bacterie ontving voedsel van de gast, terwijl de gast energie verkreeg door de aërobe activiteit van de bacterie. Hoewel er vele toepassingen zijn van de symbiose theorie van de cel evolutie, is het onderwerp van deze discussie het ontstaan en de functie van de mitochondriën in eukaryote cellen.

In het hierboven gestelde scenario was de aërobe bacterie die door de anaërobe bacterie was ingenomen, een proto mitochondrion. Met andere woorden, een organisme dat het mogelijk maakte energie te produceren uit zuurstof.  Symbiose, de relatie waarbij beide soorten een gezamenlijk voordeel behalen, zoals hierboven beschreven, wordt door sommigen beschouwd als het proces waarbij mitochondriën organellen werden in eukaryote cellen. Voordat we verder gaan graven in het bewijs voor deze theorie, moeten we eerst eens kijken naar de functie en structuur van de mitochondriën zoals we die vandaag de dag in onze cellen aantreffen. Mitochondriën zijn eukaryote organellen die de oxidatieve ademhaling uitvoeren, de laatste stap in de cellulaire ademhaling. De oxidatieve ademhaling breekt pyruvaat af die in de glycolyse wordt gevormd waarbij kooldioxide wordt gevormd  en produceert de grootste hoeveelheid ATP in de cellen. In eukaryote cellen is zuurstof nodig, omdat mitochondriën zuurstof  gebruiken als de uiteindelijke elektronen acceptor in de elektronen transportketen, die tenslotte resulteert in een protonen gradiënt die de ATP synthese aandrijft. Mitochondriën zijn in verschillende hoeveelheden aanwezig in verschillende eukaryote cellen. Cellen die veel energie nodig hebben zoals spierweefsel en de lever hebben verhoudingsgewijs meer mitochondriën dan bijvoorbeeld cellen die minder energie nodig hebben zoals botweefsel.

Foto van een elektronenmicroscopische opname van een mitochondrion (celorganel die de in koolhydraten en vetten aanwezige energie overdraagt aan ATP en zo ter beschikking stelt van energievragende reacties in de cel. Het mitochondrion werd in 1890 geïdentificeerd door Robert Altmann. In 1897 vormde Benda  het woord mitochondrion uit " mito " (schroefdraad) en " khóndrion " ( korreltje ), omdat deze organellen onder een lichtmicroscoop op schroefdraadvormige korreltjes lijken.

Hoe is een mitochondrion opgebouwd? De kenmerken die we hier bekijken zijn de omvang van het mitochondrion, de membraanstructuur, eiwitstatus en genetische informatie. Mitochondriën behoren tot de grootste organellen in eukaryote cellen met een omvang van 0,3-1,0 micrometer tot 5-10 micrometer. Het heeft twee membranen waarvan de binnenste sterk geplooid is en cristae worden genoemd. De cristae zijn het startpunt voor enzymen en elektronendragers (cytochromen) die verantwoordelijk zijn voor elektronentransport en oxidatieve fosforylering. Vergeleken met alle andere organellen in de cel zijn mitochondriën uniek omdat ze hun eigen DNA bevatten, dat wil zeggen gescheiden van het DNA in de celkern. Enkele proteïnen van het mitochondrion worden door ribosomen in het mitochondrion geproduceerd, overeenkomstig zijn eigen onafhankelijk DNA.

Wat is nu het bewijs die de endosymbiose theorie van het mitochondrion en de eukaryote cel ondersteunt? Enkele van de meest overtuigende bewijzen van de symbiose theorie werden hierboven reeds genoemd. Indien mitochondriën eens vrijlevende bacteriën waren, bestaat de mogelijkheid dat er overblijfselen van hun vroegere conditie zijn overgebleven, ondanks dat ze vandaag de dag organellen zijn. Hieronder zullen we 6 punten bespreken; 

• In het algemeen genomen hebben mitochondriën en bacteriën dezelfde grootte. Dit kan niet worden gezegd van de andere organellen in de eukaryote cel.

• Zoals  bacteriën hebben ook  mitochondriën dubbele membranen. De samenstelling van de lipiden van de membranen laten geen overeenkomsten zien met het cytoplasma van de eukaryote cel. Indien mitochondriën evolueerden binnen een proto eukaryote cel , dan zou men verwachten dat de samenstelling van de membranen uit hetzelfde materiaal opgebouwd zou zijn. Het blijkt echter dat de samenstelling van de mitochondriële membranen , wat de samenstelling van lipiden betreft , meer op bacteriële membranen lijken. (Margulis, 1981, p. 217).

• Ook de sterke plooien van de binnenste membraan bepleit voor de symbiose theorie. Volgens Margulis zijn de plooien aanpassingen die als doel het vergroten van de oppervlakte hebben voor de oxidatieve enzymen.; analoog aan de evolutie van mesosomale membranen van vele prokaryote cellen. (Margulis, 1981, p. 208). Verder houden de plooien de verschillende enzymen gescheiden overeenkomstig het gebruik, net als  bacteriën doen.

• De mitochondriële ribosomale RNA reeks heeft meer weg van bacteriën dan van ribosomen in het eukaryote cytoplasma. Bijvoorbeeld: n-formylmethionyl transfer RNA wordt alleen gevonden in mitochondriën en bacteriën. (Dyer and Obar, 1985, p. 78).  

• Niet alleen bevatten mitochondriën hun eigen DNA, maar het is ook cirkelvormig, net als het DNA van bacteriën. Verder is de verhouding van guanine-cytosine basenparen in het mitochondriële DNA verhoudingsgewijs hoger, net als bacteriën, dan dan het DNA in de celkern. (Margulis, 1981, p. 206).

• Volgens Margulis lijkt de deling van mitochondriën meer op de reproductie van bacteriën. Zij schrijft : "Genetic recombination in (mitochondria) is far more reminiscent of phage and bacterial sexuality than it is of eukaryotic nuclear sexual behavior" (Margulis, 1981, p. 218).  

Meer ondersteunend bewijs voor de symbiose theorie volgt uit het feit dat mitochondriële ribosomen vergelijkbare antibiotische gevoeligheden hebben met bacteriële ribosomen dan met eukaryote ribosomen. Bijvoorbeeld : cycloheximide blokkeert eukaryote ribosomen door de uitwerking op de overdracht van tRNA, maar het heeft geen uitwerking op mitochondriën en bacteriën. Aan de ander kant zullen stoffen  die de prokaryote synthese blokkeren, maar niet de eukaryote synthese, ook de mitochondriële synthese blokkeren, bijvoorbeeld erythromycine en  tetracycline (Margulis, 1981, p. 217-218).

De structurele overeenkomsten tussen mitochondriën en bacteriën zijn overweldigend , maar zeker niet afdoende. Velen betwijfelen de mogelijkheid van de symbiose theorie …. Dat er een vrijlevend proto mitochondrion bestond ten tijde van de opbouw van zuurstof in de atmosfeer …, dat het op de een of andere manier een proto eukaryote cel binnendrong…., dat het een partner was in een symbiotische relatie die uiteindelijk resulteerde in een proto mitochondrion, daarbij zijn autonomie aan een grotere cel gevend en de weg vrij makend voor de eukaryote cel….. wordt dit te veel? Omdat evolutie in vele opzichten de historie is van verschillende chemische reacties van de formatie van de aarde tot de biochemische reacties in levende cellen, zullen we de mogelijkheid van de symbiosetheorie eens bekijken.

Ten eerste is het niet ondenkbaar dat vrijlevende aërobe bacteriën die hoge energie moleculen zoals ATP produceren, een relatie aangaan waarbij die energie kan worden gebruikt. Ten tweede moet de productie van al die energie een enorme input van energie hebben vereist. Bijvoorbeeld een voldoende beschikbare en efficiënte voedselbron. Ten derde,  de komst van zuurstof in de atmosfeer, dat een giftig gas was voor de meerderheid van de organismen op dat moment op aarde, vereiste een nieuwe vorm van stofwisseling, gebaseerd op een nieuwe chemie.

Tenslotte zouden proto eukaryote cellen die geen mogelijkheid hadden zuurstof in de atmosfeer om te zetten, moeilijk kunnen overleven. De basis voor de symbiose is duidelijk: aërobe organismen leverden een constante bron van voedsel en fosfolipiden voor zowel de mitochondriële membranen als voor bacteriën. (Crawford and Marsh, 1995, p. 71-72). Als tegenprestatie stelde de energie die vrijkwam bij de ademhaling van zuurstof, de gast in staat te overleven en zich verder aan te passen aan de nieuwe condities op de aarde.

De symbiosetheorie wordt gestaafd door natuurlijke, geobserveerde voorbeelden van symbiotische relaties. Bepaalde zeevissen zijn in staat licht te emitteren vanwege de aanwezigheid van lichtgevende bacteriën in hun binnenste. Deze lichtgevende bacteriën leven ook vrijelijk in zeewater, maar geven dan geen licht. (Dyer and Obar, 1985, p. 127). Andere voorbeelden van symbiose zijn de relaties tussen verschillende schimmels en cyanobacteriën, algen en planten en bacteriën en zoogdieren. (Margulis, 1981, p. 165). Hoewel de transformatie van deze symbionten een enorme stap is , als deze al heeft plaatsgevonden,  vond deze wel plaats over een periode van miljoenen jaren.

Om de hierboven genoemde redenen kan men de theorie dat mitochondriën evolueerden uit vrijlevende aërobe bacteriën tot  organellen in de eukaryote cel niet negeren. De vraag blijft echter, hoe en uit wat konden proto mitochondriën evolueren naast cyanobacteriën? Op welke manier drongen de proto mitochondriën de grotere aërobe cel binnen?  Konden voorbeelden van vrijlevende proto mitochondriën overleven? Bestaan zij of hun nakomelingen vandaag de dag nog? Zijn andere eukaryote organellen ook afgeleid van vrij levende organismen ?

Vanwege de bewijzen kan men de symbiose theorie niet negeren.

7 augustus 2000 (Volkskrant)

Wetenschappers hebben in een woud in het noordwesten van Amerika een ongeveer 880 hectare grote, onder de grond groeiende zwam ontdekt. Dat hebben autoriteiten in Corvallis, in de Amerikaanse staat Oregon, vrijdag bekendgemaakt. Aangenomen wordt dat de zwam het grootste levende organisme ter wereld is.  

De vondst vloeide voort uit een onderzoek naar grootschalige boomsterfte in dit deel van het woud. Daarbij werd gebruik gemaakt van luchtfoto's en  DNA-onderzoek van bodemmonsters. Aan de oppervlakte is de aanwezigheid van de zwam alleen merkbaar aan de groei van kleine goudkleurige paddestoelen in de herfst. De gelokaliseerde zwam behoort tot de soort Armillaria Ostoyae en is volgens de ontdekkers ongeveer 2400 jaar oud. Het nu gevonden exemplaar is 280 hectare groter dan de in 1992 gevonden paddestoel in de staat Washington, die tot nu toe recordhouder was.