De bacteriën zaten 100 dagen in een flesje met de fluorverbindingen PFOS en PFOA. David Kelly Crow

Bodembacterie kan zeer hardnekkige vervuilende stoffen afbreken

Uit een reeks laboratoriumproeven is gebleken dat een tamelijk veel voorkomende grondbacterie in staat is om een moeilijk te verwijderen klasse van vervuilende stoffen af te breken. Dat hebben onderzoekers aan de Amerikaanse Princeton University gemeld. De vervuilende stoffen worden PFAS genoemd en het gaat om fluorverbindingen die heel moeilijk afbreken in de natuur en die schadelijk zijn voor mens en dier. De onderzoekers hopen de techniek op termijn ook in de praktijk toe te passen om vervuilde grond en vervuild water op te kuisen.

PFAS of perfluorinated alkylated substances zijn synthetische, door de mens gemaakte chemische verbindingen met meerdere fluoratomen. Ze worden ook gefluorideerde oppervlakteactieve stoffen genoemd. 

Bij dit onderzoek ging het vooral om twee van dergelijke stoffen, PFOS of perfluoroctaansulfonzuur en PFOA of perfluoroctaanzuur. PFOS was het belangrijkste ingrediënt in 'Scotchgard', een water- en vetafstotende bescherming voor kledij en andere stoffen, PFOA kent tal van industriële toepassingen maar is vooral bekend als tussenstof bij de productie van PTFE, beter bekend als de anti-aanbaklaag teflon. 

De stof is onder meer bij de mens 'verdacht kankerverwekkend' (verdacht carcinogeen klasse 2), heeft invloed op het voortplantings- en immuniteitssysteem en kan de hormoonhuishouding ontregelen. 

Omdat er bezorgdheid was over de invloed op de gezondheid is de productie van de stoffen gaandeweg verminderd en stopgezet in Europa en de VS, in China en elders in Azië worden de stoffen nog wel geproduceerd. 

De verbindingen worden in de natuur niet of nauwelijks afgebroken en ze worden als vervuiling inmiddels op alle continenten aangetroffen. Ze kunnen gevonden worden in de lucht, zowel binnens- als buitenshuis, in water en in de bodem en in stof. Ook in het bloed van bijna alle inwoners van de geïndustrialiseerde landen worden de stoffen aangetroffen en het duurt erg lang voor ze het lichaam verlaten.  

Een 3D-weergave van PFOA waarbij fluor groen is, zwavel geel, zuurstof rood en waterstof grijs. De fluorstaart is water- en vetafstotend, de 'kop' is hydrofiel, waterminnend. Public domain

Acidimicrobium bacterium A6

Het is duidelijk dat PFAS een probleem vormen, vanwege de gevaren voor de gezondheid en het feit dat ze zeer moeilijk te verwijderen zijn uit de bodem of uit grondwater. 

En nu is er dus een bacterie, Acidimicrobium bacterium A6 die in het labo in 100 dagen 60 procent van PFOS en PFOA afbreekt. 

Peter Jaffé, een professor burgerlijke en milieu-engineering en de belangrijkste onderzoeker van de nieuwe studie, zei dat de onderzoekers goede hoop putten uit het feit dat de bacteriën de zeer moeilijk afbreekbare klasse van chemische stoffen aanzienlijk deden uit elkaar vallen, maar hij waarschuwde dat er nog meer onderzoek nodig is om te komen tot een bruikbare behandeling voor vervuild water of vervuilde grond. 

"Dit is een bewijs dat het concept werkt", zo zei hij in een persbericht van Princeton. "We zouden graag de mate waarin de stoffen verwijderd worden nog opdrijven, en dan het proces in het veld uittesten." 

Opname met een rasterelektronenmicroscoop van Acidimicrobium ferrooxidans, de typesoort van de klasse van de Acidimicrobiia waartoe ook Acidimicrobium bacterium A6 behoort. National Institutes of Health/Public domain

Ammonium

Omdat de verbinding tussen de koolstof en fluor zo sterk is, is het extreem moeilijk om deze chemische stoffen met conventionele middelen te verwijderen. Maar Jaffé en zijn mede-onderzoeker Shan Huang vermoedden dat Acidimicrobium bacterium A6 een doeltreffende remedie zou kunnen zijn. 

De onderzoekers begonnen een aantal jaar geleden te werken met de bacterie, toen ze een natuurverschijnsel onderzochten waarbij ammonium - de groep NH4 die in verbindingen voorkomt - afbrak in zure, ijzerrijke bodems in moerassen in New Jersey en op soortgelijke plaatsen. Omdat het verwijderen van ammonium een essentieel onderdeel is van de behandeling van rioolwater, wilden de onderzoekers te weten komen wat er achter het proces zat, dat Feammox genoemd werd.

In hun eerste onderzoeken in 2013 haalden Jaffé en zijn mede-onderzoekers bodemstalen uit de Assunpink-moerassen nabij Trenton, de hoofdstad van de staat New Jersey.

Ze kweekten de stalen in hun laboratorium om de micro-organismen te identificeren die verantwoordelijk waren voor het Feammox-proces en ontdekten dat de Feammox-reactie plaatsvond in aanwezigheid van Acidimicrobium A6. Daarna kostte het hen echter nog verschillende jaren van nauwgezet onderzoek om het organisme te isoleren en te kweken als een zuivere cultuur.

Een uitdaging bij het werk met Acidimicrobium is dat de bacterie ijzer nodig heeft, zowel om te groeien als om verbindingen als ammonium af te breken. Professor Jaffé ontdekte samen met de afgestudeerde studenten Weitao Shuai en Melany Ruiz dat ze het ijzer konden vervangen door een elektrische anode - de elektrode aan de positieve pool - in de laboratoriumreactoren. Dat maakte het gemakkelijker voor de onderzoekers om de bacteriën op te kweken en ermee te werken, en het bood een mogelijke manier om reactoren te ontwikkelen om stoffen af te breken zonder dat er ijzer aanwezig was.

Zicht op Assunpink Creek in New Jersey. Famartin/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

100 dagen

Toen de onderzoekers het genoom van Acidimicrobium bacterium A6 sequenceten, merkten ze bepaalde kenmerken op die de mogelijkheid openden dat de bacterie zou kunnen dienen om PFAS te verwijderen. 

"We wisten dat dit een zeer grote milieu-uitdaging was, om een organisme te vinden dat deze organische fluor-verbindingen zou kunnen afbreken", zei Jaffé. Om hun hypothese te testen, verzegelden de onderzoekers stalen van Acidimicrobium A6 in laboratoriumflessen en testten het vermogen van de bacterie om de verbindingen af te breken in hun reactoren. 

Na 100 dagen legden de onderzoekers de test stil en stelden vast dat de bacterie 60 procent van de vervuilende stoffen verwijderd had en een gelijkwaardige hoeveelheid fluoride had vrijgegeven tijdens het proces.

Jaffé zei dat de periode van 100 dagen willekeurig gekozen was als duur van het experiment, en dat een langere incubatie mogelijk als resultaat zou hebben dat er meer PFAS verwijderd zou worden. De onderzoekers zijn van plan om nu ook de omstandigheden in de reactoren te variëren, om zo de ideale omstandigheden te vinden voor het afbreken van PFAS. 

Acidimicrobium A6 floreert in omstandigheden met weinig zuurstof, wat de bacterie bijzonder doeltreffend maakt voor het verbeteren van bodems en grondwater, en wat toelaat dat de bacterie werkt zonder dure ventilatie. 

De bacteriën hebben echter wel ijzer en zure bodems nodig. Jaffé zei dat dit hun inzetbaarheid zou kunnen beperken, maar het aanpassen van de bodemomstandigheden zou moeten toelaten dat de bacterie functioneert in gebieden die van nature niet voldoen aan deze vereisten. Hij verwees naar eerder werk in verband met het verminderen van ammonium door Acidimicrobium A6 in bodemkolommen, aangelegde moerassen en in de elektrochemische reactoren. Jaffé zei dat de onderzoekers geloven dat dit ook kan gedaan worden voor het wegwerken van PFAS.

Hij zei verder dat de onderzoekers nu samenwerken met Mohammad Seyedsayamdost, een hoogleraar chemie, en met andere collega's in de chemie-afdeling om de enzymen beter te begrijpen die betrokken zijn bij het proces. Als men de kenmerken van die enzymen in kaart kan brengen, kan dat inzichten opleveren die het proces efficiënter zouden kunnen laten verlopen. 

De studie van Jaffé en Shan Huang is gepubliceerd in Environmental Science and Technology. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van Princeton University. 

Een omgewaaide boom heeft de ijzerrijke bodem blootgelegd in een bebost moeras in de Assunpink Wildlife Management Area in New Jersey, waar de bacterie gevonden is die PFAS kan afbreken. Peter Jaffe