Wissenschaftler entdecken Bakterien, die bestimmte „Forever Chemicals“ abbauen können

Von University of California – Riverside, 23. Juli 2023

Wissenschaftler der University of California, Riverside, haben zwei Bakterienarten identifiziert, die eine hartnäckige Gruppe von Schadstoffen abbauen können, die als „Forever Chemicals“ oder PFAS bekannt sind. Diese natürlich vorkommenden Bakterien können die chemischen Bindungen dieser Schadstoffe aufbrechen, sie unschädlich machen und einen kostengünstigen, biologischen Ansatz zur Reinigung industrieller Schadstoffe bieten.

Auf Chemie und Umwelttechnik spezialisierte Wissenschaftler der University of California in Riverside haben zwei Arten von Bakterien im Boden entdeckt, die in der Lage sind, eine Klasse hartnäckiger „ewiger Chemikalien“ abzubauen, was Hoffnung auf eine kostengünstige biologische Reinigung industrieller Schadstoffe gibt.

Assistenzprofessorin Yujie Men und ihr Team am Bourns College of Engineering haben herausgefunden, dass diese Bakterien in der Lage sind, eine bestimmte Untergruppe von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen, bekannt als PFAS, auszurotten, insbesondere solche, deren Chemikalie ein oder mehrere Chloratome enthält Struktur. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Water veröffentlicht.

Für immer gesundheitsschädliche Chemikalien verbleiben aufgrund ihrer ungewöhnlich starken Kohlenstoff-Fluor-Bindungen jahrzehntelang oder viel länger in der Umwelt. Bemerkenswerterweise stellte das UCR-Team fest, dass die Bakterien die Chlor-Kohlenstoff-Bindungen des Schadstoffs spalten, was eine Reaktionskette in Gang setzt, die die chemischen Strukturen für immer zerstört und sie unschädlich macht.

University of California, Riverside, Assistenzprofessorin Yulie Men und Doktorand Josen Jin. Bildnachweis: UCR-Foto von Sizhuo Zhang

„Wir haben herausgefunden, dass Bakterien zuerst die Kohlenstoff-Chlor-Bindung spalten und dabei instabile Zwischenprodukte erzeugen können“, sagte Men. „Und dann unterliegen diese instabilen Zwischenprodukte einer spontanen Defluorierung, also der Spaltung der Kohlenstoff-Fluor-Bindung.“

Chlorierte PFAS sind eine große Gruppe in der ewigen chemischen Familie von Tausenden von Verbindungen. Dazu gehören verschiedene nicht brennbare Hydraulikflüssigkeiten, die in der Industrie verwendet werden, und Verbindungen, die zur Herstellung chemisch stabiler Filme verwendet werden, die als Feuchtigkeitsbarrieren in verschiedenen Industrie-, Verpackungs- und Elektronikanwendungen dienen.

The two bacteria speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Die von der Men-Gruppe identifizierten Arten – Desulfovibrio Aminophilus und Sporomusa sphaeroides – kommen natürlich vor und leben bekanntermaßen in unterirdischen Mikrobiomen, wo das Grundwasser mit PFAS kontaminiert sein kann. Für beschleunigte Aufräumarbeiten könnte ein kostengünstiger Nährstoff wie Methanol in das Grundwasser injiziert werden, um das Bakterienwachstum zu fördern. Dies würde die Präsenz der Bakterien erheblich erhöhen, um die Schadstoffe effektiver zu zerstören, sagte Men. Wenn die Bakterien noch nicht vorhanden sind, könnte das kontaminierte Wasser mit einer der Bakterienarten beimpft werden.

Ein konzeptionelles Bild des biologischen Reinigungsprozesses. Bildnachweis: UCR-Grafik von Evan Fields

Men ist der korrespondierende Autor des Artikels und Bosen Jin, ein Absolvent der UCR für Chemie- und Umweltingenieurwesen, ist der Hauptautor. Weitere UCR-Co-Autoren sind Postdoc Jinyu Gao; ehemaliger Postdoktorand Huaqing Liu; ehemalige Doktoranden Shun Che und Yaochun Yu; und außerordentlicher Professor Jinyong Liu.

Die Studie baut auf früheren Arbeiten von Men auf, in denen sie zeigte, dass Mikroben eine hartnäckige Klasse von PFAS namens fluorierte Carbonsäuren abbauen können.

Mikroben werden seit langem zur biologischen Beseitigung von Ölverschmutzungen und anderen industriellen Schadstoffen eingesetzt, darunter das von Men untersuchte industrielle Lösungsmittel Trichlorethylen oder TCE.

Aber was über den Einsatz von Mikroorganismen zur Reinigung von PFAS bekannt ist, steckt noch in den Kinderschuhen, sagte Men. Ihre Entdeckung ist vielversprechend, da biologische Behandlungen, wenn wirksame schadstofffressende Mikroben verfügbar sind, im Allgemeinen kostengünstiger und umweltfreundlicher sind als chemische Behandlungen. Schadstofffressende Mikroben können auch an schwer zugängliche Stellen unter der Erde injiziert werden.

Die neueste PFAS-Studie von Men kommt zu einem Zeitpunkt, zu dem die US-Umweltschutzbehörde neue Vorschriften erlässt, um die Sanierung von mit PFAS kontaminierten Grundwasserstandorten im ganzen Land voranzutreiben, da diese Chemikalien mit einer Vielzahl gesundheitsschädlicher Auswirkungen in Verbindung gebracht werden, darunter Krebs, Nierenerkrankungen und Hormonstörungen .

Referenz: „Substantielle Defluorierung von Polychlorfluorcarbonsäuren ausgelöst durch anaerobe mikrobielle hydrolytische Dechlorierung“ von Bosen Jin, Huaqing Liu, Shun Che, Jinyu Gao, Yaochun Yu, Jinyong Liu und Yujie Men, 15. Mai 2023, Nature Water.DOI: 10.1038/s44221- 023-00077-6

Die Studie wurde durch Zuschüsse des Strategic Environmental Research and Development Program des US-Verteidigungsministeriums und des National Institute of Environmental Health Sciences unterstützt.