Quick enforcement of ballast water disinfection with technique of NIOZ researcher

Overcome natural barriers

Since the 19^th century, cargo ships use ballast water to have enough mass and stability to cross the ocean safely when they don’t carry any cargo. “However, ships just pump up water somewhere and have it discharged as soon as they no longer need it”, says expert on ballast water treatment Cees van Slooten. “The water contains many small animals from other parts of the world that, through the ships, end up in places they don’t belong. The ship helps them to overcome their natural barriers.”

Destructive for original ecosystems

The consequence of this practice has proved destructive for marine ecosystems worldwide during the last century: invasive exotic species threaten the species that occur naturally. Well-known examples in European waters are the Chinese mitten crab (Eriocheir sinensis) and the Atlantic jackknife clam (Ensis leei): their larvae came along with ballast water. The species turned out to be strong competitors to endemic species and also influenced the animals and plants the original species were ecologically related to. In that way, an invasive exotic species can make its mark on a whole ecosystem.

Discharge standard from the United Nations

In 2004, the International Marine Organisation (IMO), part of the United Nations, introduced a standard for the discharge of living organisms that led to a mandatory disinfection of ballast water for most cargo ships. “However”, says Van Slooten, “it took until 2016 for enough member states to agree to the standard and ratify it. After that, it will take several more years before all those ships are provided with a treatment system. In 2024, almost all ocean-going vessels should meet the discharge standard.”

During his PhD-research, between 2010 to 2014, Van Slooten tested among others whether a treatment substance is suitable for ballast water treatment and suggested changes to a protocol for bacterial analysis that is often used in ballast water tests.

Quick, simple and accurate enforcement

The main result of Van Slootens PhD-research is the technique he developed for a – by now often used – method for compliance and enforcement of ballast water disinfection by local authorities. Van Slooten: “In the discharge standard, the IMO has stated that 10 microscopic algae cells may remain in each milliliter of water, out of the at least 1000 cells that were present before treatment. For zooplankton, with sizes of at least one twentieth of a millimeter, like amphipods, that standard is even one million times as strict: only 10 out of the 100,000 specimens in every 1000 liters of water can remain.”

The authorities should of course be able to enforce those values. Van Slooten: “There are techniques, but are they sensitive enough? Such a technique is only suitable for enforcement if it is quick, simple and still accurate in measuring ballast water. I have developed the ready-to-use concentration method SIMPLE-ATP for use in an already existing analysis of ATP, the ancient energy molecule of all living organisms. With luminous enzymes of fireflies, you can determine the presence of ATP. The more light, the more ATP and thus the more living cells. The analysis, however, doesn’t work in salt water. SIMPLE-ATP removes the salt while concentrating the organisms that are relevant for testing whether it meets the discharge standard.

Snelle controle gezuiverd ballastwater met techniek van NIOZ-promovendus

Op vrijdag 18 juni promoveert Cees van Slooten, voormalig onderzoeker van NIOZ, aan de Rijksuniversiteit Groningen op systemen om ballastwater te behandelen en te monitoren. Zijn onderzoek leverde een handzame techniek op om snel te testen of ballastwater voldoende is gezuiverd van schadelijke organismen.

Natuurlijke barrière overwinnen

Sinds de 19^e eeuw gebruiken vrachtschepen ballastwater om, wanneer ze niet gevuld zijn met lading, toch voldoende massa en stabiliteit te hebben om veilig de oceaan te kunnen oversteken. “Maar schepen pompen natuurlijk gewoon ergens water op en lozen het als ze het niet meer nodig hebben”, vertelt expert ballastwaterzuivering Cees van Slooten. “In dat water zitten heel veel diertjes uit andere delen van de wereld, die zo terecht komen op plekken waar ze niet thuishoren. Het schip helpt die soorten om een natuurlijke barrière te overwinnen.”

Destructief voor lokale ecosystemen

Het gevolg is de afgelopen eeuw destructief gebleken voor de ecosystemen van zeeën wereldwijd: invasieve exoten bedreigen de soorten die ergens van nature voorkomen. Bekende voorbeelden in de Europese wateren zijn de Chinese wolhandkrab (Eriocheir sinensis) en de Amerikaanse zwaardschede (Ensis leei): hun larven kwamen met ballastwater mee. Ze bleken sterke concurrenten van inheemse soorten en beïnvloedden ook de dieren en planten waarmee die oorspronkelijke soorten een ecologische relatie hadden. Zo kan een invasieve exoot zijn stempel drukken op een heel ecosysteem.

Lozingsnorm van de Verenigde Naties

In 2004 heeft de International Maritime Organisation (IMO), onderdeel van de Verenigde Naties, een lozingsnorm voor levende organismen ingesteld die ertoe leidt dat de meeste zeeschepen hun ballastwater moeten zuiveren voordat ze het mogen lozen. “Maar”, vertelt Van Slooten, “het heeft nog tot 2016 geduurd voordat voldoende lidstaten zich achter het IMO-verdrag schaarden om het te ratificeren. En vervolgens gaan er weer jaren overheen voordat al die schepen van een zuiveringsmachine zijn voorzien. In 2024 zouden vrijwel alle zeeschepen aan de lozingsnorm moeten voldoen.”

Tijdens zijn promotieonderzoek, van 2010 tot 2014, testte Van Slooten onder meer of een desinfectiemiddel geschikt is voor het zuiveren van ballastwater en suggereerde hij aanpassingen aan een bacterie-analyse protocol dat in ballastwatertesten veel gebruikt wordt.

Snel, simpel en accuraat handhaven

Het belangrijkste resultaat van Van Slootens promotieonderzoek is de techniek die hij ontwikkelde voor een - inmiddels veelgebruikte - methode waarmee lokale autoriteiten ballastwaterzuivering kunnen controleren en handhaven. Van Slooten: “De IMO heeft in de lozingsnorm vastgesteld dat per ml water 10 microscopische algencellen mogen overblijven van de 1000 die minimaal in het testwater aanwezig moeten zijn. Voor dierlijk plankton met een grootte tot een twintigste millimeter, zoals vlo-kreeftjes, is die norm een miljoen keer strenger: er mogen 10 exemplaren per 1000 liter achterblijven van de 100.000 die minimaal in het testwater zitten.”

De instanties moeten die waarden wel kunnen handhaven. Van Slooten: “Er zijn wel technieken, maar zijn die gevoelig genoeg? Zo’n techniek is alleen geschikt voor handhaving als hij snel, simpel en toch accuraat ballastwater kan meten. Ik heb de goed bruikbare concentratie-methode SIMPLE-ATP ontwikkeld voor gebruik in een al bestaande analyse van ATP, het aloude energiemolecuultje van alle levende organismen. Met lichtgevende enzymen van vuurvliegjes kun je de aanwezigheid van ATP vaststellen. Hoe meer licht, hoe meer ATP en dus hoe meer levende cellen. De analyse werkt echter niet in zout water. SIMPLE-ATP verwijdert het zout en tegelijkertijd worden de organismen geconcentreerd die relevant zijn om te testen of het water aan de lozingsnorm voldoet.

Cees van Slooten promoveert op vrijdag 18 juni om 14.30 uur aan de Rijksuniversiteit Groningen. Zijn promotor is prof. Anita Buma en dr. Louis Peperzak (NIOZ) is copromotor.