Unter anaeroben Bedingungen können gemeinsame mikrobielle Gemeinschaften die ultrastarke Kohlenstoff-Fluor-Bindung aufbrechen

Ingenieure der University of California Riverside sind die ersten, die über den selektiven Abbau einer besonders hartnäckigen Klasse von PFAS, den sogenannten fluorierten Carbonsäuren (FCAs), durch gewöhnliche Mikroorganismen berichten.

Unter anaeroben Bedingungen ist eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung entscheidend für das Aufbrechen der ultrastarken Kohlenstoff-Fluor-Bindung durch mikrobielle Gemeinschaften. Während das Aufbrechen der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung das Molekül nicht vollständig abbaut, könnten die resultierenden Produkte an andere Mikroorganismen zur Defluorierung unter aeroben Bedingungen weitergegeben werden.

Die Errungenschaft baut auf früheren Arbeiten derselben Forscher auf, die als erste über die erfolgreiche mikrobielle Defluorierung einer vollständig fluorierten PFAS-Struktur durch Ersetzen von Kohlenstoff-Fluor-Bindungen durch Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen berichteten.

Per- und Polyfluoralkylsubstanzen oder PFAS sind eine Gruppe von über 9.000 Chemikalien, die seit den 1940er Jahren in unzähligen industriellen Prozessen und kommerziellen Produkten verwendet werden. Dadurch haben PFAS ihren Weg in den Wasserkreislauf gefunden und sind heute in praktisch jeder Wasserquelle zu finden. Diese Chemikalien enthalten eine Bindung zwischen Fluor und Kohlenstoffatomen, die die stärkste bekannte Einfachbindung ist, die PFAS biologisch nicht abbaubar und beständig gegen herkömmliche Wasserbehandlungsmethoden macht. Sie landen in den Geweben von Organismen, einschließlich Menschen, wo sie mit einigen Arten von Krebs, Schilddrüsen- und Leberproblemen und wahrscheinlich anderen Gesundheitsproblemen in Verbindung gebracht werden, die noch wenig erforscht sind.

In ein früheres PapierYujie Men, Assistenzprofessorin für Chemie- und Umwelttechnik, und ihre Kollegen berichteten über die Verwendung anaerober mikrobieller Gemeinschaften, die häufig zur Entchlorung verwendet werden, um zwei spezifische PFAS abzubauen, darunter eine vollständig fluorierte (perfluorierte) Struktur.

Das neue Papier führt diese Forschung einen Schritt weiter, indem es zeigt, dass der Eintrittspunkt für die anaeroben Mikroben eine Doppelbindung zwischen Kohlenstoffatomen war, die sich neben der Carboxylgruppe der FCA-Moleküle befinden. Trifluormethyl-Verzweigungen an der Doppelbindung könnten die biologische Abbaubarkeit weiter verbessern.

Mikroben, die zu dieser Art der Defluorierung in der Lage sind, sind nicht selten. Unter Verwendung von Belebtschlamm – mikrobiellen Gemeinschaften, die üblicherweise in Abwasserbehandlungsanlagen verwendet werden, um organische Stoffe abzubauen und zu entfernen – und einem anaeroben Zustand wiederholten die Forscher erfolgreich ihr früheres Experiment mit strukturell ähnlicheren PFAS.

„Derzeit sind Biokatalysatoren, die perfluorierte Verbindungen wie PFOA defluorieren können, sehr selten. Wir wissen noch sehr wenig darüber, welche Mikroben oder Enzyme die Defluorierung von PFAS im Allgemeinen durchführen können und wie“, sagte Men. „Unsere Arbeit steht an vorderster Front beim Auffinden dieser Informationen.“

Selbst wenn Wissenschaftler Möglichkeiten finden, die anfängliche Kohlenstoff-Fluor-Bindung in perfluorierten Verbindungen aufzubrechen, ist ihre Arbeit noch nicht beendet, da die Moleküle wahrscheinlich in andere Moleküle zerlegt werden, die ebenfalls schädlich sein könnten. Eine erfolgreiche Sanierung von PFAS-kontaminierten Umgebungen erfordert einen anfänglichen Abbau des PFAS-Stammmoleküls, gefolgt von einem vollständigen Abbau der sekundären Moleküle.

Ein Kürzlich durchgeführte Studie der Men-Gruppe zeigten, dass Belebtschlammgemeinschaften in der Lage waren, das sekundäre Molekül aus dem chemischen Abbau einer Art perfluorierter Chemikalie über einen Prozess, der als Cometabolismus bekannt ist, vollständig abzubauen. Ihre neue Studie impliziert ferner, dass einfach durch die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen mikrobiellen Gruppen, wie anaeroben und aeroben Bakterien, eine tiefere Defluorierung auch für bestimmte perfluorierte Chemikalien erreicht werden könnte.