Em um sábado chuvoso de outubro, os alunos de pós-graduação Arianna Sherman e Weitao Shuai estacionaram seu carro perto de uma ponte em uma estrada rural em Hillsborough, Carolina do Norte. Em botas de borracha, eles entraram em um riacho lamacento para começar a investigar como os resíduos agrícolas e uma tempestade gigante podem ter perturbado um ecossistema.

Sherman e Shuai, ambos membros do grupo de pesquisa de Peter Jaffe em engenharia civil e ambiental, tinha vindo para investigar a ciclagem de nutrientes e a poluição ao longo do rio Neuse, na esteira do furacão Florença, uma tempestade de setembro que atingiu o leste da Carolina do Norte com mais de 50 centímetros de chuva e levou a uma inundação quase recorde ao longo do rio. Sherman e Jaffe recentemente concluíram um estudo de dois anos sobre o Neuse, mas estendeu seu projeto para explorar os efeitos do furacão.

Grande parte do Neuse é repleta de fazendas de suínos, e enquanto alguns dos dejetos dos animais são tratados e usados ​​como fertilizante, muitos nutrientes em excesso das fossas ao ar livre das fazendas vão para o rio. Essa sobrecarga de nutrientes à base de nitrogênio pode levar à proliferação de algas prejudiciais que ameaçam a qualidade da água e perturbam o ecossistema.

"Quando você tem toda essa inundação, os reservatórios de resíduos contendo o nitrogênio são liberados, e todos eles vêm a jusante, "disse Sherman." Sabíamos que demoraria um pouco para os fazendeiros colocarem suas operações de volta online "após a tempestade, ela adicionou. "Com essa descarga de nitrogênio saindo das fossas e, em seguida, sem mais carga de nitrogênio por um período de tempo, queríamos ver como o sistema reagiria. "

Trabalhando durante uma tempestade menor um mês após o furacão, os dois alunos encheram tubos de ensaio com água e empurraram um longo tubo de metal na lama para coletar o solo. De volta ao seu laboratório em Princeton, Sherman está examinando as amostras para entender um processo químico chamado Feammox, que a equipe de Jaffe descobriu pela primeira vez em um pântano de Nova Jersey em 2004. Jaffe e outros agora reconhecem o Feammox como um avanço potencial na eliminação de poluentes de nitrogênio.

Na reação Feammox, certas bactérias podem quebrar (oxidar) amônio, um dos principais componentes dos dejetos de suínos à base de nitrogênio. Esta reação é uma etapa inicial chave na conversão de poluentes de nitrogênio em gás nitrogênio inofensivo. Criticamente, A bactéria Feammox realiza a reação na ausência de oxigênio. Considerando que as estações de tratamento de águas residuais geralmente consomem muita energia, forçando o ar para as águas residuais para facilitar a limpeza, Feammox tem potencial para remediar a poluição do solo e das águas subterrâneas, onde há pouco oxigênio disponível.

Os solos do Rio Neuse são ácidos e ricos em ferro, fornecendo condições ideais para o processo Feammox, disse Jaffe, o William L. Knapp '47 Professor de Engenharia Civil e diretor associado de pesquisa do Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente de Princeton. Feammox requer reposição periódica com ferro oxidado, ou ferrugem natural, que absorve um elétron restante durante o processo Feammox em uma etapa conhecida como redução. "É possível que uma grande tempestade exponha ferro novo, por isso queríamos examinar se o processo é rejuvenescido por inundações ". O furacão Florence apresentou" uma oportunidade única de verificar isso, "disse Jaffe.

Sherman e Shuai coletaram amostras de solo e água em seis locais ao longo do Neuse e seus afluentes, incluindo uma área a montante das fazendas de suínos para estudar os níveis de poluentes e processos químicos que ocorrem antes da contaminação pesada. Sherman está analisando o processo Feammox de cada local medindo as concentrações de amônio e outros compostos contendo nitrogênio, bem como níveis de diferentes formas de ferro.

O sequenciamento do DNA extraído do solo revelará quais tipos de bactérias estão presentes; o trabalho anterior do laboratório mostrou que uma cepa da família Acidimicrobiaceae é responsável pela reação de Feammox. Para obter informações sobre os efeitos das inundações, os pesquisadores vão comparar as amostras pós-furacão com as coletadas quatro meses antes, em condições mais típicas.

Sherman está testando se a bactéria Feammox do Neuse pode, além de modificar o ferro, reduzir quimicamente uma forma de selênio que freqüentemente contamina áreas agrícolas. O selênio é um mineral essencial adicionado como suplemento à alimentação animal. O excesso de selênio penetra nos ecossistemas aquáticos, onde pode atingir níveis tóxicos. O processo Feammox pode ser capaz de converter compostos de selênio em formas que são muito menos móveis no meio ambiente.

"Nossa abordagem é olhar para um processo fundamentalmente em condições controladas de laboratório, e ver se podemos ir a campo e medi-lo, "disse Jaffe." É assim que vamos do laboratório para o campo, e, eventualmente, à escala da bacia hidrográfica. "

À medida que coletavam amostras de solo e água, Sherman e Shuai também deixaram algo para trás:eles colocaram pequenos eletrodos no solo em cada local de amostragem. Em trabalho publicado na edição de dezembro de 2018 da Microbiologia Aplicada e Ambiental , A equipe de Jaffe descobriu que a bactéria Feammox pode colonizar esses eletrodos, com o final positivo, ou ânodo, substituindo compostos de ferro oxidado. Se os organismos no Neuse também podem realizar Feammox em eletrodos, isso aumentará ainda mais a perspectiva de usar bactérias para limpar a poluição por nitrogênio sem a necessidade de fontes de ferro.

Os pesquisadores voltaram recentemente para recuperar os eletrodos, e planejamos fazer uma nova amostra de cada site nesta primavera. Suas análises em andamento mostrarão os efeitos de longo prazo do furacão na poluição e na vida microbiana ao longo do Neuse, ao mesmo tempo, revelando maneiras de limpar esses ecossistemas críticos.