Перфторалкилированные и полифторалкилированные вещества, известные как PFAS, представляют собой семейство синтетических химических соединений, которые повсеместно встречаются в различных промышленных и бытовых продуктах. Эти соединения часто называют вечными химикатами из-за удивительной устойчивости их углеродно-фтористых связей, что делает их трудноразлагаемыми в окружающей среде. Такая устойчивость привела к тревожному загрязнению водных экосистем и вызвала опасения по поводу их влияния на здоровье человека. Однако недавнее исследование предлагает значительный прогресс в очистке от этих загрязнителей благодаря действию определенных бактерий.
PFAS: обзор стойких загрязнителей и их воздействия
Пер- и полифторалкилированные вещества, известные как PFAS, представляют собой обширное семейство химических соединений, которые с 1950-х годов используются во множестве промышленных и потребительских товаров. Эти вещества характеризуются антипригарными и водонепроницаемыми свойствами, а также устойчивостью к высоким температурам, что делает их особенно полезными в таких различных областях, как текстиль, упаковка для пищевых продуктов, противопожарная пена, косметика и многие другие.
Отличительной особенностью PFAS является их устойчивость в окружающей среде, что объясняется прочностью связей углерод-фтор, присутствующих в их химической структуре. Такие соединения, как PFOS (перфтороктановый сульфонат) и PFOA (перфтороктановая кислота), широко использовались до того, как их применение было ограничено на международном уровне в 2009 и 2020 годах соответственно.
Тем не менее, эти вещества по-прежнему часто обнаруживаются в окружающей среде, а при их разложении образуются побочные продукты, вызывающие аналогичную озабоченность, хотя и содержащие более короткие углеродные цепи.
Широкое применение PFAS в сочетании с их стойкостью приводит к повсеместному загрязнению различных сред, таких как вода, воздух, почва и осадки. Эти соединения могут накапливаться в живых организмах и попадать в пищевую цепь. Более того, их подвижность позволяет переносить их на большие расстояния, вплоть до океанов, где они могут сохраняться неограниченно долго.
Что касается здоровья, то некоторые исследования также показывают, что PFAS могут оказывать вредное воздействие на человека. Их связывают с повышением уровня холестерина, различными видами рака, влиянием на фертильность, развитие плода, печень и почки. Кроме того, предполагается, что они влияют на эндокринную систему (в частности, щитовидную железу) и иммунную систему.
Бактерии для борьбы с вечными загрязнителями
Интерес к бактериям и их способности разлагать перфторалкильные и полифторалкильные вещества (PFAS) обусловлен рядом научных и экологических причин. Во-первых, это связано с их потенциалом предложить естественное и устойчивое решение для деградации этих загрязнителей, в отличие от химических или физических методов, которые являются дорогостоящими и иногда труднореализуемыми.
Кроме того, уже известно, что некоторые бактерии разлагают другие стойкие органические соединения, такие как углеводороды, хлорированные растворители и некоторые пестициды. Наконец, предыдущие исследования показали, что некоторые бактерии, в частности, из рода Acetobacterium, обладают ферментами, способными разрушать углеродно-хлорные связи в подобных соединениях. Поэтому исследователи, естественно, проверили этот подход на вечных загрязнителях.
В рамках этой исследователи провели лабораторные эксперименты по выявлению видов, способных разлагать PFAS. Для оценки эффективности бактерий они подвергали их воздействию различных ненасыщенных загрязнителей, химическая структура которых разрушается несколько легче, чем у насыщенных. Как и ожидалось, бактерии продемонстрировали способность разрушать связи между углеродом и фтором — процесс, известный как дефторирование.
Важнейшее ферментативное действие
Согласно результатам исследования, процесс дефторирования происходит под действием особых ферментов, которые разрывают химические связи, высвобождая атомы фтора. Обычно фтор токсичен для бактерий, но у Acetobacterium есть специальные каналы, которые выводят фтор из клеток, позволяя им выжить и продолжить свою деградационную деятельность. Эта способность к детоксикации, по-видимому, является эволюционным защитным механизмом, обеспечивающим выживание бактерий в загрязненной среде.
Идентификация этих дефторирующих ферментов в Acetobacterium открывает новые перспективы для экологической биотехнологии. Исследователи обнаружили, что эти ферменты и каналы присутствуют в образцах сточных вод с разных континентов, что говорит о широком географическом распространении и возможности глобального применения. Кроме того, эти бактерии можно использовать непосредственно в грунтовых водах, чтобы обеспечить недорогую очистку in situ, которую также можно легко развернуть.
Исследователи также изучают возможность сочетания активности бактерий с инновационными материалами для оптимизации процесса деградации PFAS. Например, разрабатываются интерфейсы материал-микроб, объединяющие свойства бактерий по дефторированию с материалами, способными расщеплять остаточные побочные продукты. Эти материалы, чувствительные к электрическим полям, могут обеспечить быстрое и эффективное разрушение этих загрязнителей, тем самым повышая общую эффективность очистки.
Однако в практическом применении этих микробных решений остаются проблемы. В частности, скорость разложения PFAS бактериями по-прежнему низкая. Поэтому продолжаются исследования по выявлению других микробов и ферментов, способных эффективно расщеплять эти соединения.