Een verrassende oplossing uit de natuur
Onderzoekers van Johns Hopkins University onderzochten of gewone houtrottende zwammen farmaceutische resten in rioolslib kunnen afbreken, voordat dat slib als meststof op landbouwgrond wordt gebruikt. De resultaten waren opvallend veelbelovend.
Moderne antidepressiva en andere psychofarmaca zijn ontworpen om krachtig in te werken op de hersenen en langdurig in het lichaam te blijven. Wanneer ze gedeeltelijk worden uitgescheiden, komen ze in het rioolstelsel terecht — en een deel van de ongebruikte tabletten wordt nog altijd rechtstreeks doorgespoeld. Waterzuiveringsinstallaties verwijderen weliswaar de meeste onzuiverheden, maar niet alle actieve geneesmiddelsstoffen kunnen effectief worden geneutraliseerd.
Wat zijn biosoliden en waarom vormen ze een probleem
Na de waterzuivering blijft er een voedingsstoffenrijk, vast materiaal over dat biosoliden wordt genoemd — bewerkt rioolslib. In de Verenigde Staten en vele andere landen wordt het gebruikt als bodemverbeteraar en meststof. Maar daarmee komen ook sporen van geneesmiddelen mee, waaronder antidepressiva en angstremmende middelen.
Studies suggereren dat zelfs minimale hoeveelheden farmaceutische stoffen in het milieu het gedrag van water- en bodemdieren kunnen beïnvloeden, en mogelijk ook de volksgezondheid. Hard bewijs dat zulke concentraties rechtstreeks schadelijk zijn voor mensen die gewassen eten die bemest zijn met biosoliden, ontbreekt vooralsnog. Wetenschappers benadrukken echter dat veel van deze verbindingen zeer moeilijk afbreekbaar zijn en buitengewoon lang in het milieu aanwezig kunnen blijven.
Hoe witrotschimmels de hardste natuurlijke materialen afbreken
Het onderzoeksteam richtte zijn blik op organismen die al miljoenen jaren omgaan met een van de meest resistente materialen in de natuur — hout. Het gaat om zogenaamde witrotschimmels, beroemd om hun vermogen om lignine af te breken, het uiterst robuuste bindmiddel in hout.
Anders dan veel bacteriën scheiden deze zwammen krachtige en relatief niet-selectieve enzymen rechtstreeks in hun omgeving uit. Ze richten zich niet op één specifieke stof, maar vallen het volledige spectrum van complexe organische moleculen aan en breken die af tot kleinere, doorgaans gemakkelijker te verteren delen.
De onderzoeksgroep concentreerde zich op twee bekende soorten. Pleurotus ostreatus, in Nederland en België beter bekend als de oesterzwam, en Trametes versicolor, een kleurrijke zwam die op boomstronken groeit en gewoonlijk veelkleurig elfenbankje wordt genoemd. Beide soorten zijn goed gedocumenteerd, gemakkelijk verkrijgbaar en worden al lange tijd ingezet in milieu-experimenten.
Opzet en methode van het experiment
De onderzoekers van Johns Hopkins University verzamelden biosoliden van een gemeentelijke waterzuiveringsinstallatie en voegden negen geneesmiddelen toe die inwerken op het centrale zenuwstelsel. Daartoe behoorden populaire antidepressiva zoals citalopram en trazodon.
Het voorbereide materiaal diende vervolgens als groeisubstraat voor het mycelium van Pleurotus ostreatus en Trametes versicolor. De zwammen mochten tot zestig dagen in het slib groeien, terwijl de onderzoekers regelmatig maten hoeveel van de actieve stoffen nog aanwezig waren in de monsters.
Ter vergelijking werden ook proeven uitgevoerd in klassieke vloeibare laboratoriumomgevingen zonder biosoliden. Zo kon worden beoordeeld hoe de aanwezigheid van een echte “mengeling” van onzuiverheden de afbraakefficiëntie beïnvloedde.
Wat de resultaten na twee maanden lieten zien
Na twee maanden myceliumgroei verminderden beide soorten de concentratie van acht van de negen onderzochte stoffen. De mate van verwijdering varieerde van ongeveer vijftig procent tot bijna volledige eliminatie van het betreffende geneesmiddel uit de biosoliden.
Pleurotus ostreatus presteerde bijzonder indrukwekkend en “zuiverde” de monsters voor een deel van de geneesmiddelen in de praktijk vrijwel volledig. Een opvallende bevinding was dat de afbraak in meerdere gevallen beter verliep in aanwezigheid van biosoliden dan in een eenvoudige synthetische oplossing. Dit geeft aan dat laboratoriumtests in vloeibare media niet altijd weerspiegelen hoe de technologie werkt onder reële omstandigheden in een waterzuiveringsinstallatie.
Verbergen zwammen de medicijnen alleen maar, of breken ze ze écht af
De onderzoekers gingen grondig na wat er met de geneesmiddelmoleculen gebeurt na contact met het mycelium. De cruciale vraag luidde: nemen de zwammen de farmaceutica simpelweg op, of zetten ze die daadwerkelijk om in minder schadelijke bestanddelen?
Geavanceerde massaspectrometrie maakte het mogelijk de veranderingen in de chemische samenstelling van de monsters over tijd te volgen. Meer dan veertig nieuwe verbindingen die waren gevormd door zwamenzymen werden geïdentificeerd. In veel gevallen waren de geneesmiddelmoleculen gesplitst in kleinere fragmenten of geoxideerd — dat wil zeggen: voorzien van een zuurstofatoom.
De toxiciteitsanalyse suggereert dat de afbraakproducten over het algemeen minder gevaarlijk zijn dan de oorspronkelijke geneesmiddelen. Voor een eerste beoordeling van de potentiële schadelijkheid van de nieuwe verbindingen gebruikten de onderzoekers een EPA-instrument gebaseerd op chemo-informatica. Het model wees uit dat het merendeel van de omzettingsproducten veiliger moet zijn voor levende organismen dan de oorspronkelijke actieve stoffen — een belangrijk signaal voor milieubeleidsmakers en ontwerpers van nieuwe zuiveringstechnologieën.
Wat is mycoaugmentatie en hoe helpt het waterzuiveringsinstallaties
De term mycoaugmentatie duikt steeds vaker op in de wetenschappelijke literatuur. Het verwijst naar het gericht inbrengen van zwammen in verontreinigde omgevingen om de afbraak van schadelijke verbindingen te versnellen. Het onderzoek van Johns Hopkins University levert sterke argumenten voor de toepassing van deze methode bij de behandeling van rioolslib.
Witrotschimmels hebben meerdere praktische voordelen ten opzichte van dure chemische technologieën of geavanceerde filters:
- Ze kunnen groeien op vast materiaal zoals biosoliden zonder nood aan complexe infrastructuur
- Ze functioneren onder relatief milde omstandigheden — zonder hoge temperaturen of druk
- Ze komen in de natuur voor, zijn goed gedocumenteerd en goedkoop te kweken
- De geproduceerde enzymen verwerken hele groepen verbindingen, niet slechts één enkele verontreiniging
- Ze hebben geen elektrische energie nodig voor hun basale metabolische processen
- De afbraakproducten hebben een lagere toxiciteit dan de oorspronkelijke farmaceutica
Vanuit het perspectief van waterzuiveringsinstallaties is het idee van een module waarbij biosoliden een “zwammenkuur” ondergaan vóór verspreiding op de akkers, bijzonder aantrekkelijk. Zo’n stap zou bestaande processen kunnen aanvullen en het algehele niveau van milieuveiligheid verhogen.
Voor stedelingen herinnert dit verhaal eraan dat een slaaptablet of een middel tegen somberheid niet spoorloos verdwijnt. Een deel ervan belandt in de waterzuiveringsinstallatie en gaat van daaruit — in gewijzigde vorm — het milieu in. Hoewel de doses in de praktijk minimaal zijn, zet het stijgende gebruik van antidepressiva onderzoekers ertoe aan nieuwe en verfijndere zuiveringsmethoden te zoeken.
Welke uitdagingen moeten worden overwonnen voor grootschalig gebruik
Hoewel de resultaten veelbelovend klinken, is de weg naar grootschalige toepassing nog lang. Zo is het noodzakelijk te onderzoeken hoe de zwammen omgaan met de volledige “soep” van verontreinigingen in echt slib van verschillende waterzuiveringsinstallaties — en niet enkel met negen geselecteerde geneesmiddelen.
Een andere uitdaging is het bewaren van het biologische evenwicht. In grote installaties zitten biosoliden vol bacteriën en andere micro-organismen die kunnen concurreren met het mycelium om ruimte en voedingsstoffen. Bovendien moet worden gegarandeerd dat eventuele omzettingsproducten van farmaceutische verbindingen op lange termijn niet ongewenst ophopen in de bodem of het water.
Voor landbouwers die biosoliden gebruiken, zou zo’n zwamgebaseerde “voorbehandeling” in de toekomst een argument kunnen zijn dat ze meststof gebruiken met een lagere chemische belasting. Voor beheerders van waterzuiveringsinstallaties zou het een manier zijn om te voldoen aan steeds strengere eisen voor microverontreinigingen — zonder massale investeringen in geavanceerde membraantechnologieën.
Tot slot verdient één intrigerend perspectief extra aandacht. Dezelfde enzymen die zwammen helpen om lignine en psychofarmaca aan te vallen, kunnen nuttig blijken bij de afbraak van andere hardnekkige verontreinigingen — zoals pesticiden of bepaalde cosmetische ingrediënten. Als verdere studies de doeltreffendheid van deze aanpak bevestigen, kunnen Pleurotus ostreatus en zijn “verwanten” vaste spelers worden in het moderne afvalwaterbeheer.
