Бактерии научились есть "вечные химикаты" и даже их токсичные побочные продукты
В борьбе за то, чтобы убрать "вечность" из "вечных химикатов", бактерии могут стать нашими союзниками. Большинство методов очистки от пер- и полифторалкильных веществ (ПФАВ) основано на их адсорбции и улавливании, но некоторые микробы способны разрывать прочные химические связи, которые позволяют этим веществам так долго сохраняться в окружающей среде.
Команда под руководством Университета в Буффало идентифицировала штамм бактерий, способный разлагать и трансформировать как минимум три типа ПФАВ и, что, возможно, ещё важнее, некоторые токсичные побочные продукты процесса разрыва связей.
Исследование, опубликованное в этом месяце в Science of the Total Environment, показало, что бактерия Labrys portucalensis F11 (F11) метаболизировала более 90% перфтороктансульфоновой кислоты (ПФОС) после 100 дней воздействия. ПФОС — один из наиболее часто обнаруживаемых и стойких типов ПФАВ, признанный Агентством по охране окружающей среды США опасным в прошлом году.
Бактерия F11 также разложила значительную часть двух других типов ПФАВ за 100 дней: 58% 5:3 фтортеломерной карбоновой кислоты и 21% 6:2 фтортеломер сульфоната.
"Связь между атомами углерода и фтора в ПФАВ очень прочная, поэтому большинство микробов не могут использовать её в качестве источника энергии. Штамм бактерий F11 развил способность отщеплять фтор и поглощать углерод", — говорит автор-корреспондент исследования Диана Ага.
В отличие от многих предыдущих исследований бактерий, разлагающих ПФАВ, в работе Аги учитывались более короткоцепочечные продукты распада — метаболиты. В некоторых случаях F11 даже удаляла фтор из этих метаболитов или разлагала их до минимальных, неопределяемых уровней.
"Многие предыдущие исследования сообщали только о деградации ПФАВ, но не о образовании метаболитов. Мы не только учли побочные продукты ПФАВ, но и обнаружили, что некоторые из них продолжали дальше разлагаться бактериями", — говорит первый автор исследования Миндула Виджаяхена.
Привередливые едоки учатся любить ПФАВ
ПФАВ — группа повсеместно распространённых химических веществ, широко используемых с 1950-х годов в самых разных продуктах.
Они далеко не пища по выбору для любой бактерии, но некоторые из тех, что живут в загрязнённой почве, мутировали, чтобы разлагать органические загрязнители, такие как ПФАВ, и использовать их углерод в качестве источника энергии.
"Если бактерии выживают в суровой, загрязнённой среде, вероятно, это потому, что они адаптировались использовать окружающие химические загрязнители в качестве источника пищи, чтобы не голодать", — говорит Ага. "В процессе эволюции некоторые бактерии могут выработать эффективные механизмы использования химических загрязнителей для своего роста".
Бактериальный штамм F11, использованный в этом исследовании, был выделен из почвы загрязнённого промышленного объекта в Португалии и ранее демонстрировал способность удалять фтор из фармацевтических загрязнителей. Однако его никогда не тестировали на ПФАВ.
Коллеги из Католического университета Португалии поместили F11 в герметичные колбы без источника углерода, кроме 10 000 микрограммов на литр ПФАВ. После инкубационных периодов от 100 до 194 дней образцы были отправлены в Буффало, где анализ показал, что F11 разложила часть ПФАВ.
Повышенные уровни ионов фтора, обнаруженные в этих образцах, указывали на то, что F11 отщепила атомы фтора от ПФАВ, чтобы бактерии могли метаболизировать атомы углерода.
"Связь углерод-фтор — это то, что делает ПФАВ такими трудноразлагаемыми, поэтому разорвать её — критически важный шаг. Что важно, F11 не только разбивала ПФОС на более мелкие части, но и удаляла фтор из этих более мелких частей", — говорит Виджаяхена.
Некоторые оставшиеся метаболиты всё ещё содержали фтор, но после воздействия ПФОС в течение 194 дней F11 удалила фтор даже из трёх метаболитов ПФОС.
"С оговоркой, что в этих образцах могут быть другие метаболиты настолько ничтожные, что они ускользают от современных методов обнаружения", — добавляет Ага.
Как сделать ПФАВ привлекательным пунктом меню
Хотя исследователи считают свою работу хорошим началом, они предупреждают, что F11 потребовалось 100 дней для биодеградации значительной части предоставленных ПФАВ, и при этом не было доступных других источников углерода.
Команда теперь планирует исследовать, как побудить F11 потреблять ПФАВ быстрее, даже когда есть конкурирующие источники энергии, которые могли бы увеличить скорость их роста.
"Мы хотим изучить влияние размещения альтернативных источников углерода вместе с ПФАВ. Однако, если этот источник углерода слишком обилен и легко разлагаем, бактериям, возможно, вообще не нужно будет трогать ПФАВ", — говорит Ага. "Нам нужно дать колониям F11 достаточно пищи для роста, но не настолько много, чтобы они потеряли стимул превращать ПФАВ в пригодный источник энергии".
В конечном итоге, F11 можно будет применять в загрязнённых ПФАВ воде и почве. Это может включать создание условий для выращивания штамма в активном иле на станции очистки сточных вод или даже инъекцию бактерий непосредственно в почву или грунтовые воды загрязнённого участка — процесс, называемый биоаугментацией.
"В системах активного ила сточных вод можно ускорить удаление нежелательных соединений, добавив конкретный штамм к существующему бактериальному консорциуму на очистных сооружениях", — говорит Ага. "Биоаугментация — многообещающий метод, который ещё не исследован для очистки окружающей среды от ПФАВ".