Un samedi pluvieux d'octobre, Les étudiants diplômés Arianna Sherman et Weitao Shuai ont garé leur voiture près d'un pont sur une route rurale à Hillsborough, Caroline du Nord. En bottes de caoutchouc, ils ont pataugé dans un ruisseau boueux pour commencer à enquêter sur la façon dont les déchets agricoles et une tempête géante ont pu perturber un écosystème.

Sherman et Shuai, tous deux membres du groupe de recherche de Peter Jaffe en génie civil et environnemental, était venu enquêter sur le cycle des nutriments et la pollution le long de la Neuse à la suite de l'ouragan Florence, une tempête de septembre qui a inondé l'est de la Caroline du Nord avec plus de 20 pouces de pluie et a entraîné des inondations presque record le long de la rivière. Sherman et Jaffe avaient récemment terminé une étude de deux ans sur la Neuse, mais ont étendu leur projet pour explorer les effets de l'ouragan.

Une grande partie de la Neuse est bordée de fermes porcines, et tandis que certains des déchets des animaux sont traités et utilisés comme engrais, de nombreux nutriments excédentaires provenant des puisards en plein air des fermes se déversent dans la rivière. Cette surcharge de nutriments à base d'azote peut entraîner des proliférations d'algues nuisibles qui menacent la qualité de l'eau et perturbent l'écosystème.

"Quand vous avez toutes ces inondations, les bassins de déchets contenant l'azote sont rincés, et ils viennent tous en aval, " a déclaré Sherman. " Nous savions qu'il faudrait un certain temps aux agriculteurs pour remettre leurs opérations en ligne " après la tempête, elle a ajouté. "Avec ce rinçage d'azote sortant des puisards, puis plus de chargement d'azote pendant un certain temps, nous voulions voir comment le système réagirait."

Travaillant à travers une petite tempête de pluie un mois après l'ouragan, les deux étudiants ont rempli des tubes à essai avec de l'eau et ont poussé un long tube de métal d'un pied dans la boue pour recueillir la terre. De retour dans leur labo de Princeton, Sherman examine les échantillons pour comprendre un processus chimique appelé Feammox, que l'équipe de Jaffe a découvert pour la première fois dans une zone humide du New Jersey en 2004. Jaffe et d'autres reconnaissent maintenant Feammox comme une percée potentielle dans l'élimination des polluants azotés.

Dans la réaction de Feammox, certaines bactéries peuvent décomposer (oxyder) l'ammonium, une composante importante à base d'azote des déchets de porc. Cette réaction est une première étape clé dans la conversion des polluants azotés en azote gazeux inoffensif. De manière critique, Les bactéries Feammox effectuent la réaction en l'absence d'oxygène. Alors que les usines de traitement des eaux usées consomment généralement beaucoup d'énergie, forçant l'air dans les eaux usées pour faciliter le nettoyage, Feammox a le potentiel de remédier à la pollution dans le sol et les eaux souterraines où peu d'oxygène est disponible.

Les sols de la Neuse sont acides et riches en fer, fournir des conditions idéales pour le processus Feammox, dit Jaffe, le professeur William L. Knapp '47 de génie civil et directeur associé de la recherche au Centre Andlinger de Princeton pour l'énergie et l'environnement. Feammox nécessite un réapprovisionnement périodique en fer oxydé, ou rouille naturelle, qui absorbe un électron restant pendant le processus Feammox dans une étape connue sous le nom de réduction. "Il est possible qu'une grosse tempête expose du fer frais, nous voulions donc examiner si le processus est rajeuni par les inondations. » L'ouragan Florence a présenté « une occasion unique de vérifier cela, " dit Jaffe.

Sherman et Shuai ont collecté des échantillons de sol et d'eau sur six sites le long de la Neuse et de ses affluents, y compris une zone en amont des fermes porcines pour étudier les niveaux de polluants et les processus chimiques se produisant avant une forte contamination. Sherman analyse le procédé Feammox de chaque site en mesurant les concentrations d'ammonium et d'autres composés azotés, ainsi que les niveaux de différentes formes de fer.

Le séquençage de l'ADN extrait du sol révélera les types de bactéries présentes; les travaux antérieurs du laboratoire ont montré qu'une souche de la famille des Acidimicrobiaceae est responsable de la réaction de Feammox. Pour mieux comprendre les effets des inondations, les chercheurs compareront les échantillons post-ouragan à ceux collectés quatre mois plus tôt dans des conditions plus typiques.

Sherman teste si les bactéries Feammox de la Neuse peuvent, en plus de modifier le fer, réduire chimiquement une forme de sélénium qui contamine souvent les zones agricoles. Le sélénium est un minéral essentiel ajouté en complément de l'alimentation animale. L'excès de sélénium se lave dans les écosystèmes aquatiques, où il peut atteindre des niveaux toxiques. Le procédé Feammox peut être capable de convertir les composés du sélénium en des formes beaucoup moins mobiles dans l'environnement.

"Notre approche est de regarder un processus très fondamentalement dans des conditions de laboratoire contrôlées, et ensuite voir si nous pouvons aller sur le terrain et le mesurer, " a déclaré Jaffe. " C'est ainsi que nous passons du laboratoire au terrain, et finalement à l'échelle du bassin versant."

Alors qu'ils recueillaient des échantillons de sol et d'eau, Sherman et Shuai ont également laissé quelque chose derrière eux :ils ont planté de petites électrodes dans le sol à chaque site d'échantillonnage. Dans un ouvrage publié dans le numéro de décembre 2018 de Microbiologie appliquée et environnementale , L'équipe de Jaffe a découvert que les bactéries Feammox peuvent coloniser de telles électrodes, avec l'extrémité positive, ou anode, remplacer les composés de fer oxydés. Si les organismes de la Neuse peuvent aussi réaliser du Feammox sur électrodes, cela augmentera encore la perspective d'utiliser des bactéries pour nettoyer la pollution à l'azote sans avoir besoin de sources de fer.

Les chercheurs sont récemment revenus récupérer les électrodes, et prévoyez de rééchantillonner chaque site ce printemps. Leurs analyses en cours montreront les effets à plus long terme de l'ouragan sur la pollution et la vie microbienne le long de la Neuse, tout en révélant des moyens de nettoyer ces écosystèmes critiques.