Alcune specie di battéri potrebbero degradare i PFAS?

Rinaldo Cervellati

Sulla base di recenti ricerche, è quello che si chiede XiaoZhi Lim*, in uno speciale di Chemistry & Engineering news del 21 marzo 2021 (Vol. 99, numero 10).

Lim parte dalla considerazione che per tre decenni, dagli anni ’40, la General Electric ha scaricato solventi dai suoi impianti di produzione nel fiume Hudson (New York), contaminandolo con bifenili policlorurati[1] (PCB). Gli scienziati si sono preoccupati del modo migliore per ripulire il fiume dagli inquinanti, ritenendo che i PCB fossero completamente non biodegradabili, come sostenuto da biochimici consultati dall’azienda agli inizi degli anni ’80.

Tuttavia, l’analisi dei nuclei di sedimenti estratti dal fiume durante gli anni ’80 ha mostrato che i PCB stavano lentamente perdendo i loro atomi di cloro e trasformandosi in idrocarburi non dannosi. Successivamente, gli scienziati hanno stabilito che la trasformazione è stata eseguita da microorganismi [1].

Ora, i ricercatori studiano la possibilità che alcuni ceppi batterici possano fare una analoga trasformazione per le sostanze per- e polifluoroalchiliche[2] (PFAS). Utilizzati nei prodotti per la cura personale, in schiume antincendio, rivestimenti antimacchia e membrane per la produzione di cloroalcali, e altre applicazioni, i PFAS hanno forti legami carbonio-fluoro che li rendono difficili da degradare e sono diventati un contaminante di alto profilo, inquinando aree vicino agli impianti che li producono o utilizzano e siti militari come le basi aeree. (Dei PFAS si sono occupati alcuni post su questo blog).

Figura 1. I batteri Dehalococcoides (cellule rotonde) che possono abbattere i composti clorurati potrebbero anche essere indotti a degradare i composti fluorurati. Altri microrganismi mostrati in questa coltura cellulare sono Desulfovibrio vulgaris (cellula curva con superficie ruvida) e un metanogeno (cellula a forma di bastoncello). © Yujie Men

Usualmente, per trattare l’acqua contaminata, i rimedi prima concentrano i PFAS, tipicamente tramite un filtro a carbone attivo, e poi inceneriscono i filtri saturi ad alte temperature. Tuttavia molte evidenze dimostrano che l’incenerimento è dannoso perché i PFAS invece che degradarsi si possono diffondere nell’atmosfera (ilblogdellasci.wordpress.com/2020/06/19/gli-inceneritori-possono-diffondere-i-pfas-non-eliminarli).

Quindi, la bonifica biologica potrebbe essere più conveniente per bassi livelli di PFAS in grandi volumi di materiale contaminato. Finora tuttavia non è stato trovato alcun organismo in grado di defluorizzare completamente i PFAS, ma i ricercatori hanno motivo di credere che alcuni microorganismi potrebbero fare questo lavoro: mai dire mai in termini di ciò che non possono gestire.

Nel suo libro di testo del 1951, The Chemical Activities of Bacteria, il microbiologo britannico Ernest Gale avanzò l’ipotesi dell’”infallibilità microbica”: se c’è energia da ottenere da un composto, un microrganismo sarà in grado di estrarla e creare una nicchia per se stesso [2].

Per esempio, dopo il disastro ambientale della piattaforma Deepwater Horizon, nel 2009, e la fuoriuscita di petrolio, gli scienziati hanno scoperto che i microorganismi hanno fagocitato la maggior parte dei composti idrocarburici ricchi di energia che si sono riversati nel Golfo del Messico, risolvendo parte del problema in modo naturale.

I composti alogenati come i PCB contengono molta meno energia degli idrocarburi, ma i battéri possono ancora usarli [3]. Nel fiume Hudson, il genere di battéri Dehalococcoides, che vive in ambienti poveri di ossigeno nei sedimenti, trasferisce elettroni ai PCB, riducendoli ed espellendo gli ioni cloruro, spiega Wackett [3].

Rolf U. Halden, un ingegnere ambientale dell’Arizona State University, è molto scettico, sostenendo che in effetti i Dehalococcoides sono dealogenatori obbligati, nel senso che possono sopravvivere solo scaricando i loro elettroni su composti organici clorurati. Ma ci sono differenze significative tra i PFAS e le loro controparti clorurate. Per iniziare, i legami carbonio-fluoro sono molto più forti e più difficili da rompere rispetto ai legami carbonio-cloro. Ancora più importante, i battéri si sono evoluti insieme a migliaia di composti clorurati presenti in natura, quindi quando i Dehalococcoides incontrano inquinanti clorurati prodotti dall’uomo come i PCB o il tricloroetilene (TCE), non li percepiscono come completamente estranei. Dice Halden: “Questi organismi esistevano prima che creassimo  il TCE. Ma i composti fluorurati presenti in natura sono rari; solo il fluoroacetato è ben studiato nelle piante e contiene un solo atomo di fluoro. I PFAS, al contrario, specialmente quelli perfluorurati, sono avvolti in atomi di fluoro. Questo li rende quasi a prova di proiettile”.

I PFAS sono così stabili che uno dei progetti SERDP, finanziati dal Dipartimento USA della difesa, che studiano metodi biologici per distruggere i PFAS, ha dimostrato che i metodi di degradazione chimica precedentemente riportati non funzionano. Pedro J. J. Alvarez, un ingegnere ambientale presso la Rice University, aveva lavorato con batteri in grado di produrre abbondanti quantità di superossido al di fuori delle loro cellule. Alvarez ha letto che il superossido generato dalla decomposizione del perossido di idrogeno potrebbe abbattere l’acido perfluoroottanoico (PFOA), uno dei PFAS più comuni presenti nell’ambiente [4], quindi ha proposto che i batteri che generano superossido potrebbero forse degradare i PFAS. Egli e i suoi colleghi hanno scoperto, tuttavia, che il superossido generato chimicamente o enzimaticamente non è in grado di abbattere il PFOA [5]. Quando Alvarez e il suo team hanno scavato più a fondo, hanno scoperto che anche un’altra sostanza studiata per la degradazione del PFOA, i radicali idrossilici, non poteva degradarlo [6].

Ma Alvarez non si scoraggia: i batteri sono efficaci anche quando è presente ossigeno, che potrebbe competere con il TCE come accettore di elettroni. Poiché il TCE è un co-contaminante comune con i PFAS, Alvarez pensa che i batteri che generano superossido potrebbero ancora rivelarsi utili eliminando altri inquinanti che possono interferire con i processi di bonifica che prendono di mira i PFAS. Inoltre crede nell’ipotesi dell’infallibilità microbica, sostenendo che un batterio troverà un modo per utilizzare anche composti resistenti come i PFAS.

Jinxia Liu, ingegnere ambientale presso la McGill University, afferma che un fattore chiave per la facilità con cui un microorganismo può abbattere un composto fluorurato è che la molecola contenga un punto vulnerabile agli attacchi, come un legame carbonio-idrogeno. Liu studia la biotrasformazione di composti polifluorurati chiamati fluorotelomeri[3] da oltre un decennio. I fluorotelomeri come l’acido 6:2 fluorotelomero solfonico, che viene utilizzato nelle schiume antincendio, contengono un tale punto suscettibile all’azione microbica.

I batteri aerobici del genere Gordonia compiono una ben nota trasformazione sui fluorotelomeri: consumano la parte solfonata, lasciando un acido carbossilico perfluorurato altamente persistente (figura 2).

Liu ha osservato prodotti di biotrasformazione perfluorurati che sono uno o due atomi di carbonio più corti, suggerendo che Gordonia sarebbe anche in grado di tagliare la coda fluorurata un carbonio alla volta. Afferma che in teoria si potrebbe defluorare completamente un fluorotelomero, e i calcoli mostrano che il processo è energeticamente favorevole.

Figura 2. I batteri Gordonia possono sminuzzare le lunghe code dei fluorotelomeri, come l’acido fluorotelomero solfonico 6:2 (in alto) e il fluorotelomero sulfonammide alchilbetaina 6:2 (in basso).

Tuttavia, il gruppo di Liu ha osservato che la rimozione di solito si interrompe dopo due cicli. I ricercatori stanno lavorando per capire perché la defluorizzazione si arresta e come spingere i batteri a ripetere la rimozione fino a quando tutti gli atomi di fluoro non saranno scomparsi.

Nelle molecole perfluorurate insature (figura 3), la parte contenente il doppio legame potrebbe servire come necessario punto di debolezza. Yujie Men, dell’Università della California a Riverside, ha incubato una coltura microbica KB1 disponibile in commercio che viene utilizzata per la declorazione e che include i batteri Dehalococcoides, con lattato e una varietà di molecole perfluorurate. Il lattato fornisce elettroni per i batteri, mentre i PFAS agiscono come accettori di elettroni. I microorganismi hanno degradato il 100% di una molecola perfluorurata insatura, ((E) -perfluoro (acido 4-metilpent-2-enoico)), dopo 130 giorni,  e più del 90% di un’altra (4,5,5,5-tetrafluoro-4- acido (trifluorometil) -2-pentenoico) dopo 70 giorni, rispetto a nessuno dei composti perfluorurati saturi [7].

Figura 3. Una coltura microbica disponibile in commercio potrebbe degradare PFAS insaturi come l’acido (E) -perfluoro (acido 4-metilpent-2-enoico) (a sinistra) e l’acido 4,5,5,5-tetrafluoro-4- (trifluorometil) -2-pentenoico (a destra).

Il gruppo di ricercatori ha identificato intermedi suggerendo che due reazioni iniziali, con effetti opposti, competono durante il processo di biotrasformazione. I microorganismi potrebbero sostituire gli atomi di fluoro sugli atomi di carbonio del doppio legame con atomi di idrogeno, rendendo così la molecola più vulnerabile a una defluorizzazione aggiuntiva. Oppure potrebbero aggiungere due atomi di idrogeno attraverso il doppio legame, creando un composto saturo più resistente alla deflorazione (figura 4).

Figura 4. Illustrazione del processo descritto da Men ©ACS.

Men sta lavorando per identificare i batteri specifici responsabili delle reazioni e degli enzimi coinvolti.

Per quanto riguarda il PFOA e l’acido perfluorottano solfonico (PFOS), che non contengono punti deboli, un batterio originario delle zone umide del New Jersey potrebbe essere in grado di defluorurarli [8]. Peter Jaffé e il suo gruppo dell’Università di Princeton hanno studiato A6, un ceppo del batterio Acidimicrobium, dal 2005. Questo microorganismo esegue una reazione chiamata Feammox, in cui trasferisce gli elettroni dagli ioni ammonio agli ioni ferro(III) nel terreno acido.

Il team di Jaffé ha sequenziato il genoma di A6 e ha notato che aveva geni che codificano per le alogenasi. Alcuni di loro erano piuttosto nuovi e il team ha quindi deciso di vedere cosa succede quando ad A6 viene somministrato solo PFAS come unica fonte di carbonio. In oltre 100 giorni di incubazione con PFOA o PFOS (figura 5), i ricercatori hanno riscontrato una scomparsa costante fino al 60% dei composti, con un conseguente aumento del carbonio organico disciolto e degli ioni fluoruro (figura 6).

Figura 5. Un ceppo noto come A6 del microbo Acidimicrobium può degradare l’acido perfluoroottanoico (PFOA) e l’acido perfluorottano solfonico (PFOS).

Figura 6. Illustrazione del metodo di Jaffé. © ACS

Jaffé sta ora collaborando con Wackett, dell’Università del Minnesota, per decifrare i meccanismi alla base del potere defluorizzante di A6. Wackett sta usando una combinazione di tecniche computazionali e sperimentali per identificare gli enzimi e i geni che potrebbero essere responsabili.

Bruce E. Rittmann (Arizona State University), sta adottando un duplice approccio alla degradazione del PFAS, iniziando con un catalizzatore di palladio per defluorizzare parzialmente (tubo sinistro) il PFAS seguito dai batteri per finire il lavoro (tubo destro), v. figura 7.

Figura 7.  Duplice approccio alla degradazione del PFAS, iniziando con un catalizzatore di palladio per defluorizzare parzialmente (tubo sinistro) il PFAS, seguito dai batteri per completare il lavoro (tubo destro).© Bruce E. Rittmann

In laboratorio, i ricercatori possono creare le condizioni ideali affinché i batteri si nutrano di PFAS o addirittura costringerli a farlo. La distribuzione di microbi nell’ambiente per la bonifica in situ, tuttavia, presenta sfide significative. Halden osserva che gli studi di Jaffé e Men hanno utilizzato alte concentrazioni di PFAS. Ma nell’ambiente reale, anche se i PFAS sono presenti in alcuni luoghi a livelli pericolosi per la salute delle persone, esistono in generale a concentrazioni di parti per miliardo.

Inoltre, ci sono molte altre prelibatezze nell’ambiente con cui i batteri possono banchettare ed è difficile controllare ciò che scelgono. I ricercatori hanno notato i microbi nella cultura commerciale KB1 passare dal consumo di PFAS al consumo di un’alternativa come TCE quando è presente. Men afferma: “È molto difficile perché è come se stessi chiedendo a qualcuno di mangiare erba piuttosto che cibo normale”.

Se l’azione microbica può essere sfruttata in modo economico dipenderà anche dal sito contaminato, afferma Alvarez. Un parametro chiave è la velocità con cui l’acqua trasporterà i PFAS da un particolare sito a un altro luogo: se la migrazione è lenta, i rimedi possono utilizzare un lento processo di degradazione microbica, ma se il tasso di migrazione è veloce, è meglio cercare una soluzione più aggressiva e più rapida per proteggere la salute pubblica.

Un’opzione più fattibile è la bonifica ex situ, in cui il materiale contaminato viene pompato via e trattato in un bioreattore isolato in condizioni controllabili. In un impianto di trattamento, la bonifica biologica può anche essere abbinata alla bonifica chimica. Rittmann sta adottando un tale approccio in due fasi.

La nostra strategia si basa sulla consapevolezza che non saremo in grado di biodegradare direttamente questi PFAS. Dobbiamo iniziare il lavoro per i microrganismi“, afferma Rittmann. Nella strategia di Rittmann, i PFAS passano prima attraverso una reazione di idrogenazione con un catalizzatore al palladio, che sostituisce alcuni degli atomi di fluoro con idrogeno. Quindi, il materiale parzialmente defluorizzato viene somministrato a un gruppo eterogeneo di microbi che completano il lavoro di defluorizzazione. Rittmann ha dimostrato con successo i passaggi individualmente e ora sta lavorando per collegarli in una configurazione a due fasi. Il gruppo sta anche studiando varie questioni, come la quantità di defluorizzazione richiesta nella prima fase e quali sono i prodotti di biotrasformazione.

Liu di McGill sta collaborando con la microbiologa Nancy N. Perreault del Consiglio nazionale delle ricerche canadese per esplorare la biodegradazione microbica del PFOS dopo che ha ricevuto un trattamento fotochimico che lo defluorizza parzialmente.

Attualmente, i microbi studiati per la degradazione dei PFAS crescono troppo lentamente e le loro prestazioni di defluorizzazione non sono sufficienti per alcun rimedio pratico per la contaminazione ambientale dei PFAS, dice Men. Tuttavia, a rischio di sembrare troppo ottimista, Men afferma di sperare che i batteri alla fine saranno all’altezza della sfida: “I batteri hanno un potenziale davvero enorme e si evolvono molto velocemente“.

Indipendentemente dal fatto che i microbi siano o meno in grado di eliminare i PFAS, la maggior parte dei ricercatori concorda sul fatto che l’uso dei PFAS dovrebbe essere limitato. Nonostante l’eliminazione graduale volontaria e persino i divieti internazionali su alcuni PFAS, circa 1.400 PFAS vengono ancora utilizzati in 200 applicazioni, in quasi tutti i settori. Alcune applicazioni, come apparecchiature mediche e membrane di cloroalcali, potrebbero giustificare l’uso di PFAS. Ma i PFAS potrebbero non essere richiesti per altri prodotti, come erba sintetica, corde di chitarra o giacche impermeabili per bambini. Dobbiamo esaminare più a fondo ciò che è veramente necessario e ciò che non lo è.

* XiaoZhi Lim è uno scrittore freelance con sede a Medfield, Massachusetts. Una versione di questa storia è apparsa per la prima volta su ACS Central Science: cenm.ag/pfas-microbe.

Bibliografia

[1] J.F. Brown et al., Polychlorinated Biphenyl Dechlorination in Aquatic Sediments., Science, 1987, 236, 709-712.

[2] E. F. Gale, The Chemical Activities of Bacteria, Academic Press, London, 1951.

[3] L.P. Wackett, S.L. Robinson, The ever-expanding limits of enzyme catalysis and biodegradation: polyaromatic, polychlorinated, polyfluorinated, and polymeric compounds., Biochemical Journal, 2020, 477, 2875–2891.

[4] S.M. Mitchell et al., Degradation of Perfluorooctanoic Acid by Reactive Species Generated through Catalyzed H2O2 Propagation Reactions., Environ. Sci. Technol. Lett., 2014, 1, 117−121.

[5] H. Jawed et al., Discerning the Relevance of Superoxide in PFOA Degradation., Environ. Sci. Technol. Lett., 2020, 7, 653−658.

[6] H. Javed et al., Discerning the inefficacy of hydroxyl radicals during perfluorooctanoic acid degradation., Chemosphere, 2020, 247, DOI: 10.1016 / j.chemosphere.2020.125883

[7] Y. Yu et al., Microbial Cleavage of C−F Bonds in Two C6 Per- and Polyfluorinated  Compounds via Reductive Defluorination., Environ. Sci. Technol. 2020, DOI: 10.1021/acs.est.0c04483

[8] S. Huang, P.R. Jaffé, Defluorination of Perfluorooctanoic Acid (PFOA) and Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) by Acidimicrobium sp. Strain A6., Environ. Sci. Technol., 2020, DOI: 10.1021 / acs.est.9b04047


[1] I bifenili policlorurati o policlorobifenili (PCB) sono composti organici clorurati con formula C12H(10−xClx). I PCB furono ampiamente utilizzati come fluidi dielettrici e refrigeranti negli apparecchi elettrici, nella carta da copia senza carbone e nei fluidi per il trasferimento di calore. Con la scoperta della loro tossicità ambientale e la classificazione come inquinanti organici persistenti, la loro produzione è stata vietata da una legge federale degli Stati Uniti nel 1978, in Italia dal 1983. La Convenzione di Stoccolma sugli inquinanti organici persistenti li ha banditi nel 2001.

[2] I PFAS sono sostanze per- e polifluoroalchiliche, una vasta classe di composti chimici sintetici tra cui: acido perfluoroottanoico (PFOA), che è tra gli acidi carbossilici perfluorurati (PFAA)s, il perfluorottano solfonato (PFOS) e GenX (una sostituto del PFOA a catena di carbonio più corta).

[3] I fluorotelomeri sono oligomeri a base di fluorocarburi, o telomeri, sintetizzati mediante telomerizzazione, una reazione di polimerizzazione radicalica in cui un trasferimento di catena limita le dimensioni del prodotto molecolare dell’oligomero. Alcuni fluorotelomeri e composti a base di fluorotelomero sono una fonte di acidi carbossilici perfluorurati persistenti per l’ambiente come PFOA e PFNA.

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