Bei dem Bestreben, den „Ewig-Chemikalien“ das „Ewige“ zu entziehen, könnten Bakterien unser Verbündeter sein.
Die meisten Sanierungsmaßnahmen für Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) beinhalten deren Adsorption und Einbindung. Bestimmte Mikroben können jedoch tatsächlich die starken chemischen Bindungen aufbrechen, die dafür sorgen, dass diese Chemikalien so lange in der Umwelt verbleiben.
Jetzt hat ein von der Universität Buffalo geleitetes Team einen Bakterienstamm identifiziert, der mindestens drei Arten von PFAS und, was vielleicht noch wichtiger ist, einige der toxischen Nebenprodukte des Bindungsbruchprozesses abbauen und umwandeln kann.
Veröffentlicht in der Monatsausgabe von Wissenschaft der gesamten UmweltDas ergab die Studie des Teams Labrys portucalensis F11 (F11) metabolisierte über 90 % der Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) nach einer Expositionsdauer von 100 Tagen. PFOS ist eine der am häufigsten entdeckten und persistenten Arten von PFAS und wurde letztes Jahr von der US-Umweltschutzbehörde als gefährlich eingestuft.
Die F11-Bakterien bauten nach 100 Tagen auch einen erheblichen Teil zweier weiterer PFAS-Typen ab: 58 % der 5:3-Fluorotelomercarbonsäure und 21 % des 6:2-Fluorotelomersulfonats.
„Die Bindung zwischen Kohlenstoff- und Fluoratomen in PFAS ist sehr stark, sodass die meisten Mikroben es nicht als Energiequelle nutzen können. Der Bakterienstamm F11 hat die Fähigkeit entwickelt, das Fluor abzuspalten und den Kohlenstoff zu fressen“, sagt Diana, die korrespondierende Autorin der Studie Aga, PhD, SUNY Distinguished Professor und Henry M. Woodburn-Lehrstuhlinhaber im Fachbereich Chemie am UB College of Arts and Sciences und Direktor des UB RENEW Institute.
Im Gegensatz zu vielen früheren Studien zu PFAS-abbauenden Bakterien berücksichtigte Agas Studie kürzerkettige Abbauprodukte – oder Metaboliten. In einigen Fällen entfernte F11 sogar Fluor aus diesen Metaboliten oder spaltete es auf winzige, nicht nachweisbare Mengen ab.
„Viele frühere Studien haben nur über den Abbau von PFAS berichtet, nicht aber über die Bildung von Metaboliten. Wir haben nicht nur PFAS-Nebenprodukte berücksichtigt, sondern auch festgestellt, dass einige von ihnen weiterhin von den Bakterien abgebaut werden“, sagt die Erstautorin der Studie, Mindula Wijayahena. ein Doktorand in Agas Labor.
Die Arbeit wurde vom National Institute of Environmental Health Sciences, einem Teil der National Institutes of Health, unterstützt. Weitere Kooperationspartner sind die Katholische Universität Portugal, die University of Pittsburgh und die Waters Corp.
Wählerische Esser lernen, PFAS zu mögen
Bei PFAS handelt es sich um eine Gruppe allgegenwärtiger Chemikalien, die seit den 1950er-Jahren in allen Bereichen von antihaftbeschichteten Pfannen bis hin zu Feuerlöschmaterialien weit verbreitet sind.
Sie sind bei weitem nicht die bevorzugte Mahlzeit eines Bakteriums, aber einige, die in kontaminiertem Boden leben, sind mutiert, um organische Schadstoffe wie PFAS abzubauen, sodass sie ihren Kohlenstoff als Energiequelle nutzen können.
„Wenn Bakterien in einer rauen, verschmutzten Umgebung überleben, liegt das wahrscheinlich daran, dass sie sich daran angepasst haben, chemische Schadstoffe in der Umgebung als Nahrungsquelle zu nutzen, damit sie nicht verhungern“, sagt Aga. „Durch die Evolution können einige Bakterien wirksame Mechanismen entwickeln, um chemische Verunreinigungen zu nutzen, um ihr Wachstum zu unterstützen.“
Der in dieser Studie verwendete Bakterienstamm F11 wurde aus dem Boden eines kontaminierten Industriestandorts in Portugal isoliert und hatte zuvor die Fähigkeit gezeigt, Fluor aus pharmazeutischen Verunreinigungen zu entfernen. Es wurde jedoch nie mit PFAS getestet.
Mitarbeiter der Katholischen Universität Portugal platzierten F11 in versiegelten Flaschen ohne Kohlenstoffquelle außer 10.000 Mikrogramm PFAS pro Liter. Nach Inkubationszeiten von 100 bis 194 Tagen wurden die Proben dann an UB verschickt, wo die Analyse ergab, dass F11 einen Teil der PFAS abgebaut hatte.
Die in diesen Proben festgestellten erhöhten Fluoridionenwerte deuteten darauf hin, dass F11 die Fluoratome der PFAS abgetrennt hatte, sodass die Bakterien die Kohlenstoffatome verstoffwechseln konnten.
„Die Kohlenstoff-Fluor-Bindung macht den Abbau von PFAS so schwierig, daher ist es ein entscheidender Schritt, sie aufzubrechen. Entscheidend ist, dass F11 nicht nur PFOS in kleinere Stücke zerhackt, sondern auch das Fluor aus diesen kleineren Stücken entfernt“, sagt Wijayahena sagt.
Einige der zurückgebliebenen Metaboliten enthielten noch Fluor, aber nach 194-tägiger PFOS-Exposition hatte F11 sogar Fluor aus drei PFOS-Metaboliten entfernt.
„Als Vorsichtsmaßnahme könnte es in diesen Proben andere Metaboliten geben, die so winzig sind, dass sie sich den aktuellen Nachweismethoden entziehen“, sagt Aga.
PFAS zu einem begehrten Menüpunkt machen
Während UB-Forscher sagen, dass ihre Studie ein guter Anfang sei, weisen sie darauf hin, dass F11 100 Tage brauchte, um einen erheblichen Teil des bereitgestellten PFAS biologisch abzubauen, und dass keine anderen Kohlenstoffquellen für den Verzehr zur Verfügung standen.
Das Team plant nun zu erforschen, wie man F11 dazu ermutigen kann, PFAS schneller zu verbrauchen, selbst wenn es konkurrierende Energieoptionen gibt, die ihre Wachstumsrate erhöhen könnten.
„Wir wollen die Auswirkungen der Platzierung alternativer Kohlenstoffquellen neben den PFAS untersuchen. Wenn diese Kohlenstoffquelle jedoch zu reichlich vorhanden und leicht abzubauen ist, müssen die Bakterien die PFAS möglicherweise überhaupt nicht berühren“, sagt Aga. „Wir müssen den F11-Kolonien genügend Nahrung zum Wachsen geben, aber nicht so viel Nahrung, dass sie den Anreiz verlieren, PFAS in eine nutzbare Energiequelle umzuwandeln.“
Schließlich könnte F11 in PFAS-kontaminiertem Wasser und Boden eingesetzt werden. Dies kann die Schaffung von Bedingungen für das Wachstum des Stamms im Belebtschlamm einer Kläranlage oder sogar die direkte Injektion der Bakterien in den Boden oder das Grundwasser eines kontaminierten Standorts umfassen, ein Prozess, der als Bioaugmentation bezeichnet wird.
„In Abwasser-Belebtschlammsystemen könnte man die Entfernung unerwünschter Verbindungen beschleunigen, indem man dem vorhandenen Bakterienkonsortium in den Kläranlagen einen bestimmten Stamm hinzufügt“, sagt Aga. „Bioaugmentation ist eine vielversprechende Methode, die für die PFAS-Sanierung in der Umwelt noch nicht erforscht wurde.“
