Lachgas (N₂O), bekend van gebruik in slagroomspuiten en als reactief roesmiddel, is een nog sterker broeikasgas dan CO₂ of methaan. Ook bij afvalwaterzuivering komt het vrij, voornamelijk door micro-organismen die het water zuiveren. Hoewel bekend is wanneer deze lachgasuitstoot – die varieert gedurende de dag en met de seizoenen – hier precies optreedt, bleef het onderliggende proces van hoe de micro-organismen lachgas produceren grotendeels onduidelijk. 

Nu hebben onderzoekers van de Technische Universiteit Delft, onder leiding van bio-ingenieur Michele Laureni en milieubiotechnoloog Mark van Loosdrecht, twee jaar lang bestudeerd hoe de verschillende micro-organismen in de afvalwaterzuiveringsinstallaties elkaar beïnvloeden. Dat deden ze in samenwerking met de Nederlandse waterschappen en Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA). De onderzoekers ontdekten dat de lachgasemissie samenhing met een disbalans tussen twee soorten micro-organismen. Eerste auteur en microbioloog Nina Roothans van de TU Delft: ‘We denken dat de lachgasuitstoot te verlagen is door deze twee soorten weer in balans te brengen.’  

Nitrietmaaltje 

Als modelsysteem voor haar onderzoek kon Roothans terecht bij de afvalwaterzuiveringsinstallatie van Amsterdam West, beheerd door Waternet. Daar onderzocht ze de invloed van verschillende omgevingsfactoren, zoals temperatuur en zuurstofgehalte, op de uitstoot van lachgas.  

Roothans ontdekte dat de aanmaak van nitriet – een voorloper van lachgas en tussenproduct bij de afbraak van stikstofverbindingen – samenhing met een disbalans tussen twee soorten bacteriën. Waar de ene soort ammonium omzet in nitriet, verandert de andere dit nitriet weer in nitraat. ‘Het product van de eerste soort is het voedsel voor de tweede’, vertelt Roothans. ‘Maar tijdens de winter groeit de tweede soort minder goed waardoor ze minder nitriet opneemt. Daardoor stapelt nitriet op in het water, wat zorgt voor lachgasuitstoot.’ 

De onderzoekers zagen dat de zuurstofconcentratie in het water een belangrijke rol speelde in deze disbalans. ‘De waterzuiveringsinstallatie voegt automatisch zuurstof toe aan het water tijdens de zuivering’, legt Roothans uit. ‘Maar dit gebeurt meestal abrupt. Wij zagen dat de tweede groep bacteriën hier niet goed tegen kan. Daarom stellen wij voor om in de winter preventief het zuurstofgehalte geleidelijk te verhogen, in de verwachting dat dit leidt tot een flinke vermindering in lachgasemissie.’ 

Bacterieverhouding 

Voor haar experimenten reed Roothans elke twee weken naar de waterzuivering om wat water met bacteriën op te halen. Dat bracht ze vervolgens weer naar het laboratorium in Delft voor analyse. Zo bestudeerde ze hoe snel de bacteriën allerlei moleculen opnamen, en onderzocht ze hun DNA en eiwitaanmaak. ‘Ik gebruikte het DNA als blauwdruk om de verschillende soorten bacteriën in het water te herkennen’, legt Roothans uit. ‘Ook analyseerde ik de aangemaakte eiwitten om de enzymen te identificeren die de omzettingsreacties in het water uitvoeren.’ 

Doordat het water duizenden verschillende bacteriën bevatte, leverde de mix aan micro-organismen een gigantische berg aan gegevens op. Het was flink puzzelen om dat allemaal op een rijtje te zetten en hier een verhaaltje van te maken, vertelt Roothans. Om de winterse piek aan lachgasuitstoot te verklaren, zocht ze in haar tientallen grafieken naar een trend die veranderde in de tijd. ‘Hoewel we al enig idee hadden welke bacteriën waarschijnlijk een rol speelden in het proces, konden we geen correlatie vinden tussen de individuele groepen en de lachgasemissie. Pas toen we de verhouding tussen de twee bacteriesoorten bekeken, ontdekten we een veranderende trend.’ 

Meer installaties 

Het onderzoek laat zien hoe fundamenteel onderzoek kan leiden tot rechtstreekse technische inzichten die zowel eenvoudig als kosteneffectief kunnen zijn. Toch zal nog moeten blijken of de voorgestelde strategie ook daadwerkelijk toegepast gaat worden. ‘We hebben gegevens van een enkele waterzuiveringsinstallatie verzameld’, vertelt Roothans. ‘De operatoren van de installaties hebben meer confirmatie nodig voor ze hun zuiveringsproces gaan aanpassen. Het belangrijkste is om aan het eind zuiver water te hebben.’ 

Daarom gaat een nieuwe lichting onderzoekers nu de zuivering bij andere installaties in Nederland onderzoeken. Dat kan nog verassingen opleveren, omdat niet alle zuiveringen een winterse piek van lachgasemissie laten zien. Roothans: ‘We willen bestuderen of en hoe de micro-organismen in die specifieke installaties verschillen.’ 

Nina Roothans, et al., Long-term multi-meta-omics resolves the ecophysiological controls of seasonal N₂O emissions during wastewater treatment, Nature Water (2025), doi:10.1038/s44221-025-00430-x