科学家发现永久化学物质的细菌解决方案

诸平

Fig. 1 Researchers at UC Riverside have discovered bacteria that can degrade specific types of PFAS compounds in contaminated water, potentially offering a cost-effective cleanup solution. The study identifies critical enzymes that could be enhanced for broader application against these persistent pollutants.

Fig. 2 UC Riverside associate professor Yujie Men at an incubator filled with bacteria cultures bottles. Credit: Stan Lim/UC Riverside

Fig. 3 Using microorganisms to remove pollutants from groundwater. Credit: Evan Fields/UC Riverside

Fig. 4 Yujie Men, Credit: Stan Lim/UC Riverside

关于“永久化学品”（'Forever chemicals'）之前已经有几篇博文进行过介绍：美中科学家用简单方法毁坏“永久化学品”、欧美PFAS污染研究二三事、研究人员改进了用阳光摧毁“永久化学物质”的催化剂、美中研究人员开发出能够毁坏“永久化学品”的反应器、某些全氟烷基和多氟烷基“永久化学品”被确定为甲状腺癌的潜在危险因素、永久化学品的危机:全球水资源超过安全的PFAS限制、对抗永久化学品的新方法，网络上的相关报道也很多（卫生纸中检出有害“永久性化学品”、新方法清除“永久化学品”廉价又方便、PFAS ——有害的“永久性化学品” 等 ）。今天来介绍《科技日报》（scitechdaily）网站2024年9月29日刊发来自美国加州大学河滨分校（University of California, Riverside简称UC Riverside）提供的消息，科学家发现永久化学品的细菌解决方案（Scientists Discover Bacterial Solution to “Forever Chemicals”）。

加州大学河滨分校（UC Riverside）的一个研究小组发现，细菌可以分解水中的永久化学品（“forever chemicals”），这可能会带来具有成本效益的水处理解决方案（A UC Riverside team has found bacteria that break down “forever chemicals” in water, potentially leading to cost-effective water treatment solutions）

加州大学河滨分校的科学家们发现了能够降解某些PFAS或“永久化学品”（“forever chemicals”）的特定细菌物种，为处理受污染的水提供了一种潜在的低成本解决方案。这些微生物属于醋酸杆菌属（Acetobacterium），在世界各地的废水环境中普遍存在。PFAS即全氟和多氟烷基物质，因其牢固的碳氟化学键（C—H）而被命名为“永久化学品”，这使得它们在环境中持久存在。2024年7月17日在《科学进展》（Science Advances）杂志网站在线发表报告中指出，加州大学河滨分校的科学家和他们的合作者发现的微生物可以分裂那些顽固的氟碳键。原文详见：Yaochun Yu, Fengjun Xu, Weiyang Zhao, Calvin Thoma, Shun Che, Jack E. Richman, Bosen Jin, Yiwen Zhu, Yue Xing, Lawrence Wackett, Yujie Men. Electron bifurcation and fluoride efflux systems implicated in defluorination of perfluorinated unsaturated carboxylic acids by Acetobacterium spp. Science Advances, 2024; 10 (29): eado2957. DOI: 10.1126/sciadv.ado2957. Epub 2024 Jul 17.

参与此项研究的除了来自美国加州大学河滨分校的研究人员之外，还有来自美国明尼苏达大学双城分校（University of Minnesota, Twin Cities, MN, USA）的研究人员。

该研究的通讯作者、加州大学河滨分校伯恩斯工程学院化学与环境工程系（UCR’s Bourns College of Engineering in the Department of Chemical and Environmental Engineering）副教授门玉洁(Yujie Men)说：“这是首次发现一种细菌，可以对PFAS结构进行还原性除氟。”然而，门玉洁提醒说，这种细菌只对不饱和PFAS化合物有效，因为它们的化学结构中有碳碳双键（C==C）。

重要的是，科学家们还确定了这些细菌中切割碳氟键(C—F)所必需的特定酶。这一发现为生物工程师改进这些酶打开了大门，使它们能够对其他PFAS化合物有效。(酶是在生化反应中起催化剂作用的蛋白质。)

门玉洁说：“如果我们能够了解其机制，也许我们可以根据已识别的分子特征找到类似的酶，并筛选出更有效的酶。此外，如果我们基于对其机理的理解，可以设计一些新的酶或改变这种已知的酶，我们可以使其更有效，并与更广泛的PFAS分子一起工作，使其分解。”

扩大生物降解能力（Expanding Biodegradation Capabilities）

去年，门玉洁发表了一篇论文，发现了其他微生物（identified other microorganisms），它们可以切割氯化PFAS化合物中的碳-氯键，从而引发大量的自发除氟并破坏这组污染物。最近的发现大大增加了可被生物破坏的PFAS化合物的数量。

利用细菌处理地下水是经济有效的，因为微生物在水到达井前就能将污染物破坏掉。这个过程包括向地下水中注入偏爱的细菌种类和营养物质，以增加它们的数量。

监管和消费者背景（Regulatory and Consumer Context）

由于PFAS化合物与癌症和其他人类健康疾病有关，美国环境保护署(U.S. Environmental Protection Agency简称EPA)今年早些时候实施了水质限制，将某些永久性化学物质在全美国自来水中的含量限制在兆分之四（four parts per trillion, 4 ppt），这促使供水商寻找PFAS净化方案。

根据美国环保署的说法，从20世纪40年代开始，由于PFAS化合物具有耐热、耐水和抗脂类的能力，它在数千种消费品中得到了广泛的应用。含有PFAS的产品包括灭火泡沫、耐油包装纸和容器，如微波爆米花袋、披萨盒和糖果包装纸;此外，用于地毯、室内装潢、衣服和其他织物的防污和防水剂等。

本研究得到了美国国立卫生研究院（R01 ES032668/ES/NIEHS NIH HHS/United States）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Enzymatic cleavage of C─F bonds in per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) is largely unknown but avidly sought to promote systems biology for PFAS bioremediation. Here, we report the reductive defluorination of α, β-unsaturated per- and polyfluorocarboxylic acids by Acetobacterium spp. The microbial defluorination products were structurally confirmed and showed regiospecificity and stereospecificity, consistent with their formation by enzymatic reactions. A comparison of defluorination activities among several Acetobacterium species indicated that a functional fluoride exporter was required for the detoxification of the released fluoride. Results from both in vivo inhibition tests and in silico enzyme modeling suggested the involvement of enzymes of the flavin-based electron-bifurcating caffeate reduction pathway [caffeoyl-CoA reductase (CarABCDE)] in the reductive defluorination. This is a report on specific microorganisms carrying out enzymatic reductive defluorination of PFAS, which could be linked to electron-bifurcating reductases that are environmentally widespread.