Droogte, een stijgende zeespiegel en bodemdaling zorgen voor steeds zouter grondwater. Dit vormt een gevaar voor de Nederlandse akkerbouw. Zout water kan zoet gemaakt worden door ontziltingsmethodes, maar de huidige technieken zijn duur en slecht voor het milieu. iGEM Maastricht wil dit oplossen door water te ontzilten met cyanobacteriën.
De afgelopen jaren zijn de Nederlandse zomers, met name in het binnenland, steeds droger. In combinatie met een stijgende zeespiegel zorgt dit ervoor dat het grondwater steeds zouter wordt: de druk van zeewater op riviermondingen stijgt, terwijl rivieren steeds minder zoet water bevatten om deze druk tegen te houden.
Het zouter worden van het grondwater noemen we verzilting. Ook bodemverzakking, waarbij de hoogte van de grond daalt ten opzichte van het Normaal Amsterdams Peil (NAP), draagt bij aan dit proces. Wetenschappers voorspellen dat de omvang van verzilting steeds groter wordt in de toekomst, wat desastreuze gevolgen kan hebben voor de akkerbouw. Planten houden namelijk niet van te zout water. In extreme gevallen kan dit leiden tot volledig mislukte oogsten.
Water ontzilten met bacteriën
Er bestaan technieken om zout water te ontzilten. Op deze manier kunnen boeren het grondwater alsnog gebruiken om hun land te besproeien. Een manier is om water te verdampen, waardoor het zich scheidt van het zout. Een andere manier is om membranen te gebruiken die de zoutdeeltjes tegenhouden, maar de watermoleculen doorlaten. Deze methodes zijn echter erg energie-intensief en daardoor slecht voor het milieu.
iGEM Maastricht wil een meer voordelige en duurzame methode ontwikkelen om zout water te ontzilten. Hiervoor schakelt het studententeam de hulp van cyanobacteriën in. Deze bacteriën gebruiken, net als planten, licht om zichzelf te voorzien van energie. Het team heeft slim gebruikgemaakt van deze eigenschap; door de bacteriën genetisch te modificeren, nemen ze chloride op als je groen licht op ze schijnt. Dit is één van de deeltjes waaruit zout bestaat.
Het iGEM-team uit Maastricht.
Copyright iGEM team MaastrichtNatrium, het andere deeltje waaruit zout bestaat, nemen de bacteriën op door een extra genetische modificatie. Deze is gebaseerd op de zuurtegraad aan de binnen- en buitenkant van de bacterie, die hij graag in balans houdt. Het team verwacht dat de bacterie deze balans in stand houdt door natrium op te nemen.
Zoutresistente bacteriën
Microbioloog Klaas Hellingwerf deed jarenlang onderzoek naar cyanobacteriën aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast heeft hij een leidinggevende functie bij een bedrijf dat cyanobacteriën gebruikt om chemicaliën te produceren. Op deze manier kan hij goed inschatten of het project kans op slagen heeft: “Het idee van het team ligt erg dicht bij mijn eigen werk. Veel van de moleculaire details kloppen, maar als je het met een helikopterblik bekijkt, lijkt het me lastig om de methode op een rendabele manier te realiseren.”
Eén van de punten die Hellingwerf aanstipt, is dat cyanobacteriën niet goed zijn in het opnemen van natrium: “Het is een biologische wet dat bijna alle levende cellen geen natrium in zich ophopen. Natrium willen ze naar buiten pompen. Cyanobacteriën tolereren meer zout dan andere bacteriesoorten, maar als de zoutconcentratie te hoog wordt, gaan ook zij dood.”
Het team geeft aan dat dit het geval is voor niet-gemodificeerde bacteriën. Volgens hun eerste experimenten lijken de gemodificeerde bacteriën echter te overleven in water met een veel hogere zoutconcentratie. Ook zijn er indicaties dat ze veel meer zout opnemen dan niet-gemodificeerde bacteriën. Wel lijkt het erop dat de bacteriën het zout na een tijdje weer uitscheiden. Het is daarom belangrijk om ze uit het water te verwijderen voordat dit gebeurt.
Zoden aan de dijk zetten
Agronoom Paul Struik van Wageningen University & Research is expert in klimaatbestendige landbouw. Hij doet onderzoek naar het zo efficiënt mogelijk gebruikmaken van zoet water, om verzilting van grondwater in de Nederlandse kustgebieden te voorkomen. Struik: “Om de verzilting van grondwater aan te pakken, zou de techniek van het team goed van pas komen. Wel vraag ik me af of de bacteriën, onder de stressvolle omstandigheden van het verzilte grondwater, in staat zijn om genoeg zout op te nemen. Zet het zoden aan de dijk?”
Ook Hellingwerf trekt de effectiviteit van de methode in twijfel. De methode is gelimiteerd door de maximale biomassa die je kan produceren: het grootste aantal bacteriën dat kan overleven in het zoute water. Hellingwerf: “De maximale biomassa is beperkt, omdat alle bacteriën toegang nodig hebben tot licht. Hoe meer bacteriën je in je water hebt, hoe lastiger het wordt om ze allemaal van licht te voorzien. Als je het uitrekent, kan je nooit genoeg biomassa krijgen om al het zout uit water op te slaan in bacteriën.”
Lichtgevende buizen
Het team wil dit probleem oplossen door meerdere rondes van bacteriën toe te voegen aan het zoute water. Zodra de eerste groep bacteriën verzadigd is met zout, willen ze deze vervangen door een nieuwe groep bacteriën. Daarnaast overweegt het team een opstelling waarbij lichtgevende buizen in het zoute water steken om zoveel mogelijk bacteriën van licht voorzien. Of ze het zoute water zo volledig kunnen ontzilten, moet nog onderzocht worden.
Maar ook als de bacteriën het zout niet volledig opnemen, is het voor boeren nuttig als de bacteriën grondwater deels kunnen ontzilten. Struik: “Er zijn bepaalde periodes waarin planten kwetsbaarder zijn voor zout water, maar af en toe kunnen ze ook best een beetje zout hebben. Ook kan je planten kweken om resistenter te worden tegen zout water.”
Bacterievrij water
Struik uit wel zijn zorgen over het afvoeren van de bacteriën nadat ze het water ontzilt hebben: “In feite verschuif je het probleem van zout uit het water halen naar bacteriën uit het water halen.” Om te voorkomen dat er levende bacteriën achterblijven in het ontzilte water, wil het team twee mechanismes inbouwen. Ten eerste willen ze aan het water een gel toevoegen die gaatjes bevat in de vorm van de bacteriën. Op deze manier komen de bacteriën vast te zitten in de gel, waardoor ze uit het water gehaald kunnen worden.
Door het zout weer uit de bacteriën te halen, kan het gebruikt worden in de textielindustrie.
Pixabay via CC0Ten tweede wil het team een zogenaamde kill switch inbouwen. Dit is een extra genetische modificatie, waardoor de bacteriën doodgaan als je blauw licht op ze schijnt. De kill switch zorgt ervoor dat bacteriën die uit de gel ontsnappen niet kunnen doorleven in het water. Ondanks deze maatregelen, erkent het team dat het afvoeren van de genetisch-gemodificeerde bacteriën een belangrijk punt is dat nog verder onderzocht moet worden.
Maar het team is niet alleen bezig met het verwijderen van de bacteriën uit het water. De studenten onderzoeken ook hoe ze het opgenomen zout weer uit de bacteriën kunnen halen, om dit vervolgens te gebruiken in andere industrieën. Het zout kan bijvoorbeeld van pas komen in de productie van papier of textiel. Op deze manier biedt niet alleen de scheidingsmethode van het team een mogelijk duurzaam alternatief, maar is de methode ook groener door het zout opnieuw te gebruiken.
Het kostenplaatje van de methode
Hellingwerf vraagt zich echter af of de methode daadwerkelijk minder kost dan de huidige technieken om zout water te ontzilten: “Om de methode te laten werken, moet je koolstofdioxide en mineralen toevoegen aan het zoute water. Dit is nodig om de bacteriën te laten groeien en om ze het zout te laten opnemen. Daarnaast moet je de bacteriën aan het einde van het proces scheiden van het ontzilte water. Beide stappen kosten veel geld en maken het een veel duurdere methode dan de huidige technieken, met name door de geringe capaciteit van cyanobacteriën om zout op te nemen.”
Het team erkent dat de geschatte kosten op dit moment hoger zijn dan die van andere methodes. Wel verwachten ze dat de kosten lager worden zodra de methode geoptimaliseerd en opgeschaald wordt. Deze verwachting baseren ze op het feit dat hun methode licht gebruikt om water en zout te scheiden. Volgens experts uit de ontziltingsindustrie die het team sprak, kost dit bijvoorbeeld veel minder energie dan de methode waarbij water en zout worden gescheiden met membranen. Bij deze techniek wordt het zoute water met hoge druk door de membranen gespoeld, wat veel energie kost. Wellicht biedt het ontwerp van het Maastrichtse team in de toekomst dus toch een duurzamere manier om water te ontzilten.