Vědci odhalují metody, které ničí „věčné“ chemické znečišťující látky

O osudu perfluoralkylových a polyflouralkylových látek (PFAS) v našem životním prostředí je známo jen málo, ale podle nového výzkumu mohou bakterie v odpadních vodách eliminovat specifické typy těchto „věčných chemikálií“. Některé bakterie mohou degradovat silné vazby, které dávají „věčným chemikáliím“ jejich dlouhou trvanlivost, což naznačuje potenciální levné úpravy, které by mohly vodu od dotčených PFAS očistit. Některé PFAS jde také „popravit stětím“ - odbouráním reaktivní hlavy jejich molekuly.

Perfluoralkylové a polyfluoralkylové látky jsou člověkem vyrobené sloučeniny, které se nacházejí v široké škále produktů: od obalů potravin přes šampony až po nepřilnavé nádobí a elektroniku. Obsahují silné chemické vazby, které se snadno nerozpadají, takže je obtížné je odstranit z našeho těla a životního prostředí. Chemické sloučeniny PFAS se skládají z „hlavy“, která často obsahuje nabité molekuly kyslíku, a „ohonu“ z atomů uhlíku a fluoru, které jsou spojeny vazbou, kterou nic v přírodě nemůže přerušit. V důsledku toho sloučeniny PFAS přetrvávají v nízkých hladinách v půdě, vzduchu, vodě a dokonce i ve vzorcích lidské krve. PFAS jsou spojovány s různými účinky na lidské zdraví a letos v dubnu stanovila Agentura pro ochranu životního prostředí USA limity na koncentrace šesti běžných PFAS v pitné vodě. Tento krok zdůraznil potřebu účinných způsobů ošetření znečištěných vod. Chemické látky typu PFAS mohou interferovat s hormony v těle, zvyšovat hladinu cholesterolu, ovlivňovat plodnost a zvyšovat riziko některých druhů rakoviny.

Chemikálie PFAS procházejí úpravnami vody beze změny a současné metody čištění jsou neúměrně drahé. Jejich filtrování a ukládání na skládky jen zvyšuje riziko, že se později vyluhují, a jiné metody čištění často produkují škodlivé vedlejší produkty, jejichž rozklad vyžaduje složité kroky.

Ve studii publikované 17. července v časopise Science Advances vědci poprvé uvedli, že čtyři druhy Acetobacterium mohou degradovat vazby v některých PFAS.

Jak vyčistit vodu

Degradace PFAS pomocí mikrobů je jednou z nejhledanějších pokročilých technologií v čištění odpadních vod a nakládání s odpady. Již nyní existují některé účinné přístupy, jako je filtrace a tepelné zpracování. Použití biologických přístupů zahrnujících bakterie by mohlo mít jedinečné výhody. Podle autorů studie by tento přístup mohl být levný a snadno proveditelný injektováním mikrobů do podzemních vod pod zemským povrchem, kde právě mnoho stávajících postupů selhává. (V USA tvoří podzemní voda asi jednu třetinu pitné vody.)

Mikrobi zmiňovaní v nové studii rozkládají vazby uhlík-fluor v některých nenasycených PFAS. Tento proces zvaný defluorace je založen na enzymatickém štěpení chemických vazeb, čímž se uvolňují molekuly fluoridu. Ty by obvykle zabíjely bakterie. Vědci však zjistili, že druhy Acetobacterium mají specializované kanálky, které pumpují fluorid z jejich buněk do okolního prostředí, což jim umožňuje přežít. Může to být součástí obranného mechanismu, který si bakterie vyvinuly, aby odstranily z těla sloučeniny, které by je jinak zabily.

Našli jsme je!

Po určení defluorujících enzymů tým prohledal genomové databáze, aby zjistil, zda i jiné acetobakterie mají stejné enzymy a pumpy. Objevili defluorující acetobakterie ve vzorcích odpadních vod ze Severní Ameriky, Evropy a některých částí Afriky a Asie. Další stopy naznačují, že mohou být nalezeny také v půdě a podzemních vodách. Druhy Acetobacterium se v odpadních vodách běžně vyskytují, ale o nich a jejich defluorujících enzymech je známo jen málo.

V předchozí práci hlavní autor studie Yujie Men, docent na katedře chemického a environmentálního inženýrství na Kalifornské univerzitě (UC) Riverside, a jeho kolegové identifikovali další bakterie, které by mohly rozložit vazby uhlíku a chlóru nalezené v některých PFAS, což by vyvolalo reakci, která by dechlorovala a poté zničila navždy příslušné chemikálie. Novější zjištění vědců přispívá k počtu známých sloučenin PFAS, které mohou být mikroby degradovány. Další výzkum by mohl vést k nalezení dalších bakterií rozkládajících PFAS, což by vedlo k objevu nových enzymů a vývoji biotechnologií, které tyto přirozené procesy urychlují.

Mikrobiální degradace PFAS se obvykle týká použití mikrobů při čištění odpadních vod před tím, než je voda dezinfikována a vrácena do dodávky pitné vody. Hlavním problémem tohoto přístupu je vzácnost mikrobů, kteří mohou vazby uhlík-fluor rozkládat, a pomalá rychlost degradace.

Tato studie je jednou z prvních, která poskytuje vhled do specifických mechanismů a bakteriálních enzymů, které by mohly být izolovány a vylepšeny, aby se rychlost odbourávání škodlivin zvýšila. 

Jak zvýšit účinnost

Je velmi nepravděpodobné, že by se samotné mikroby mohly stát globálním řešením kontaminace PFAS. Nová práce nicméně poukazuje na možnosti využití bakterií v biotechnologiích, které by mohly fungovat samostatně nebo v kombinaci s jinými přístupy. Je zapotřebí dalšího výzkumu, aby se odhalila přesná biochemie defluoračních enzymů a jejich potenciální účinek ve větším měřítku. Vědci nyní pracují na kombinovaném přístupu: defluorační schopnost bakterií a materiály, které rozklad PFAS zlepšují. Vhodné materiály by mohly zničit jakékoliv vedlejší produkty, které by zbyly po bakteriálních enzymech, což by boj proti PFAS velmi zefektivnilo.

Jiná metoda eliminace PFAS

Chemici z Kalifornské univerzity v Los Angeles a Northwestern University zvolili jednodušší přístup – zaměřili se na „hlavy“ molekul a stínají je chemickou gilotinou. Nabité molekuly kyslíku reagují s jinými chemickými látkami, proto se chemik William Dichtel z Northwestern University a doktorandka Brittany Trang rozhodli zaměřit na toto slabé místo. Použili běžné rozpouštědlo, dimethylsulfoxid (DMSO), protože PFAS se při vystavení DMSO pomalu rozkládá. Testovali reakce při různých teplotách a zjistili, že nejrychlejším způsobem, jak odstranit PFAS, je zahřát „věčnou chemikálii“ k varu spolu s DMSO a louhem nebo hydroxidem sodným - běžnou chemickou látkou, která je součástí výroby mnoha druhů mýdla. „Spustilo to reakce, při kterých z atomů fluoru z těchto sloučenin vznikal fluorid, což je nejbezpečnější forma fluoru,“ uvedl Dichtel. „I když jsou vazby uhlík-fluor supersilné, nabité molekuly kyslíku jsou Achillovou patou PFAS.“

Převod fluoru na fluorid

Fluorid je pro člověka v malých množstvích bezpečný a často se přidává do pitné vody, aby pomohl předcházet zubnímu kazu. Dalšími vedlejšími produkty reakce jsou oxid uhličitý a kyselina mravenčí, což je chemická látka s nízkou toxicitou – kyselina se dokonce někdy přidává do krmiva pro zvířata, aby se snížil růst bakterií, aniž by došlo k poškození hospodářských zvířat.

Vzhledem k tomu, že nová metoda neprodukuje škodlivé chemikálie, mohla by být použita k čištění pitné vody. Sloučeniny PFAS by mohly být odfiltrovány a poté odděleně sťaty - ošetřeny DMSO, přičemž by po nich zůstaly k likvidaci pouze neškodné chemikálie.

Vědci zjistili, že tato metoda může vyčistit všechny sloučeniny PFAS obsahující hlavy karboxylové kyseliny bohaté na kyslík. To nezahrnuje všechny třídy PFAS, ale Dichtel a jeho kolegové doufají, že jejich metoda by mohla inspirovat nové způsoby útoku na odolnější chemikálie typu PFAS.

Zdroje:

Vědci odhalili mikroby, které ničí "věčné chemické" znečišťující látky | Živá věda (livescience.com)

Vědci našli jednoduchý způsob, jak zničit "věčné chemikálie" – useknutím hlavy | Živá věda (livescience.com)