Net zoals de populatie micro-organismen in onze darmen wat zegt over onze gezondheid, zo vertelt het bacterieel leven in een sloot of kanaal het nodige over de waterkwaliteit. En nog belangrijker: die populatie voorspelt wellicht hoe de waterkwaliteit effectief kan worden opgekrikt. De Radboud Universiteit doet hier onderzoek naar met financiële steun van STOWA. De uitkomsten zijn van belang voor het EBEO-project (www.stowa.nl/ebeo), waarin wordt gezocht naar een diagnostische methode om de ecologische waterkwaliteit te beoordelen.

Tot in de jaren zeventig zag je overal ‘levende sloten’ op het platteland. Het water werd omzoomd door irissen en riet. Op het water dreef waterdrieblad, gele plomp en soms een waterlelie. In en om het water zag je kikkers, salamanders, stekelbaarzen, kevers, reigers, rietzangers en soms zelfs de imposante ringslang die ook M.A. Koekkoek tekende op de klassieke schoolplaat ‘In sloot en plas’. Op dit moment moet je goed zoeken naar die levende sloot. Slechts één procent van de Nederlandse wateren scoort momenteel een ‘goed’ op waterkwaliteit. En dat zorgt voor stille sloten. Ons land is momenteel zelfs hekkensluiter in de EU als het gaat om waterkwaliteit. Rivieren, kanalen, beken en meren bevatten vaak te veel meststoffen, (restanten van) bestrijdingsmiddelen en geneesmiddelen, microplastics en industriële vervuilingen zoals PFAS. De kans dat ons land in 2027 aan de eisen van de Kaderrichtlijn Water (KWR) voldoet, lijkt miniem.

Welke maatregelen het meest effectief zijn om de waterkwaliteit snel op orde te brengen, is daarom een dringende vraag voor waterschappen. Die vraag - wat zijn de meest effectieve maatregelen en wie moet die nemen - vormt het uitgangspunt van het STOWA-project Ecologische Beoordeling 2.0 (EBEO2.0). “Binnen Europa wordt de ecologische waterkwaliteit nu gemeten aan de hand van het voorkomen van algen, planten, vissen en waterdieren”, vertelt Bas van der Wal van STOWA. “Dat schrijft de KRW voor. Maar die organismen zitten eigenlijk allemaal hoog in de voedselpiramide. Wij denken dat een blik op de ‘onderkant’ van die piramide, op bacteriën en archaea, meer inzicht biedt in de waterkwaliteit. Driekwart van het leven in een sloot bestaat immers uit micro-organismen. Die sturen in grote mate de processen die hogere organismen laten floreren, of niet.”

Daarom ondersteunt STOWA - als onderdeel van EBEO 2.0 - het onderzoek van de Radboud Universiteit naar de extra diagnostische informatie die het in kaart brengen van bacteriën en archaea kan geven. Van der Wal: “Om de waterkwaliteit te verbeteren, kiezen waterschappen nu vaak voor het creëren van natuurlijke oevers, baggeren of vispassages, middelen die ze zelf in huis hebben. Maar de oorzaak van slechte waterkwaliteit ligt regelmatig buiten het waterschap. Er zitten bijvoorbeeld te veel nutriënten in de bodem. Dan gaat een natuurlijke oever niet het verschil maken. Je moet de zwakste schakel aanpakken om effect te sorteren.” Andere maatregelen, zoals minder bemesting, bufferstroken in de landbouw of extra zuivering van rioolwater voor het naar het oppervlaktewater vloeit, kunnen meer impact hebben. Door het in kaart brengen van de microbiologie hopen de waterschappen direct aan te tonen wat de meest effectieve oplossing is. Van der Wal: “Dat kunnen bekende ingrepen zijn, maar we laten ons ook graag verrassen.”

“Veel praktische ervaring is er nog niet met het inventariseren van bacteriën en archaea in oppervlaktewater”, vertelt Laura van Niftrik, hoogleraar Microbiologie bij de Radboud Universiteit. “We meten in feite het microbioom van het water: de hoeveelheid en diversiteit van bacteriën en archaea.” Het microbioom is inmiddels vrij bekend van het darmmicrobioom: de populatie micro-organismen in je darmen. De samenstelling van je darmflora weerspiegelt je gezondheidstoestand; bij ziekte zijn vaak specifieke veranderingen te zien. En die vergelijking kun je doortrekken naar water. Van Niftrik: “Aan het microbioom van een sloot of kanaal is waarschijnlijk af te lezen hoe het met de waterkwaliteit staat.”

Het meten van het microbioom vindt plaats via DNA-onderzoek, door genen van alle micro-organismen in het water te isoleren en te sequencen (bepalen van de exacte volgorde van een DNA-gen, red.), vertelt onderzoeker Isa Martin. Dat geeft een beeld van de bacteriën en archaea die aanwezig zijn, en grofweg in welke onderlinge verhoudingen. Martin is in september begonnen met het bemonsteren van een reeks sloten en wateren die representatief zijn voor de Nederlandse waterkwaliteit, van goed tot slecht. Dat gebeurt in het beheersgebied van Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier, bij een van de zogenoemde living labs uit het EBEO-project. In deze living labs wordt, zo veel mogelijk met echte data, de nieuwe ecologische beoordelingsmethode voor de waterkwaliteit in de praktijk verder uitgewerkt en toepasbaar gemaakt.  

Het sequencen gebeurt in gespecialiseerde laboratoria. Van Niftrik: “Dat kunnen we ook hier in Nijmegen doen. Maar voor dit onderzoek maken we gebruik van inmiddels doorsnee DNA-technologie. In dat geval is uitbesteden goedkoper.” De analyse van de data gebeurt wel in Nijmegen. “Data produceren is tegenwoordig makkelijk in de microbiologie, de uitdaging zit in het interpreteren.”

Het uiteindelijke doel is om een duidelijke correlatie vast te stellen tussen waterkwaliteit en de samenstelling van het microbioom, licht universitair docent aquatische ecologie Annelies Veraart toe. “Welk microbioom hoort bij welke waterkwaliteit? We verwachten een patroon te kunnen herkennen. We kijken naar de complete samenstelling, maar ook naar specifieke soorten. We doorgronden al veel van de zelfreinigende biologische processen in oppervlaktewater en welke organismen daar verantwoordelijk voor zijn. Zo kijken we naar de micro-organismen die verantwoordelijk zijn voor de afbraak van organisch materiaal op de bodem of voor omzettingen van ammoniak. Maar we kijken ook naar de aanwezigheid van ijzer- en zwavel-omzettende bacteriën.”

Door het microbioom te bestuderen kun je ook unieke populaties opsporen of uitpluizen welke bacterie precies welke omzetting doet. En ja, het zou interessant zijn om kunstmatige intelligentie in te zetten voor patroonherkenning, want dat is juist waar AI sterk in is. Maar dat is allemaal boeiende spin-off voor eventueel vervolgonderzoek. Van Niftrik: “We moeten onze academische belangstelling wat beteugelen. Het draait in dit onderzoek nadrukkelijk om heel praktische zaken. Is er een heldere relatie te leggen tussen microbioom en waterkwaliteit? En verklaart de samenstelling van het microbioom die correlatie?” Veraart: “Is dat verband helder, dan kun je conclusies trekken over de belangrijkste disbalans. Vinden we bijvoorbeeld veel anaerobe bacteriën, dan kan dat een aanbeveling zijn om organisch materiaal te verwijderen door te baggeren. Zien we veel stikstofminnende soorten, dan is minder aanvoer van nutriënten de manier om de waterkwaliteit te verbeteren. Maar bij een dergelijk advies betrekt een waterschap natuurlijk ook altijd de geschiedenis en de regionale kennis over het desbetreffende water.”

Bacteriën kennen we allemaal, maar wat zijn eigenlijk archaea? Van Niftrik: “Dat zijn eencelligen net als bacteriën. Voorheen werden archaea ook wel oerbacteriën genoemd omdat ze wat betreft structuur wat basaler zijn. Ze vormen een groot deel van het bacteriële leven op aarde. Er zijn in feite drie takken aan de boom van het leven: de bacteriën, de archaea en de eukaryoten - alle hogere levensvormen zoals planten, dieren en mensen samen.”

Het microbioom kan zo extra informatie geven over de waterkwaliteit, benadrukt Veraart. “De aanwezigheid van bepaalde groepen micro-organismen is direct te koppelen aan een biogeochemisch proces. IJzeretende bacteriën zijn alleen aanwezig wanneer er ijzer aanwezig is. Bij hogere organismen die nu worden gemeten, is de aanwezigheid niet alleen afhankelijk van de milieuomstandigheden, maar ook van veel andere factoren. Dat is bij micro-organismen veel minder het geval.” De onderzoekers denken dat het belang van microbiële monitoring zo groot zal blijken, dat het wordt toegevoegd aan het huidige beleid.

Het microbioom kan zo extra informatie geven over de waterkwaliteit, benadrukt Veraart. “De aanwezigheid van bepaalde groepen micro-organismen is direct te koppelen aan een biogeochemisch proces. IJzeretende bacteriën zijn alleen aanwezig wanneer er ijzer aanwezig is. Bij hogere organismen die nu worden gemeten, is de aanwezigheid niet alleen afhankelijk van de milieuomstandigheden, maar ook van veel andere factoren. Dat is bij micro-organismen veel minder het geval.” De onderzoekers denken dat het belang van microbiële monitoring zo groot zal blijken, dat het wordt toegevoegd aan het huidige beleid.