Они содержатся в посуде, коврах и одежде. Они распространились по суше и морю, загрязняя питьевую воду и кровь. Известны своими пятноотталкивающими и антипригарными свойствами, но при этом сохраняются в окружающей среде от десятков до сотен и тысяч лет.
Их называют пер- и полифторалкильными веществами (polyfluoroalkyl substances - PFAS) и они представляют собой проблему. Исследователи обнаруживают, что для понимания стойкости ПФАС в окружающей среде и способов борьбы с ней необходимо обратиться к микроорганизмам. ПФАС — это искусственно созданные соединения, используемые во всем, от пожаротушения до сельского хозяйства. Хотя существует около 15 000 типов ПФАС, они имеют одинаковую базовую молекулярную структуру: цепочку атомов углерода, по крайней мере один из которых соединен с двумя или тремя атомами фтора. Эти связи C-F чрезвычайно прочны. Их долговечность в сочетании с другими свойствами, такими как высокая поверхностная активность и водо- и маслоотталкивающие свойства, делают ПФАС полезными в промышленности. Однако эти же свойства делают ПФАС устойчивыми к разложению в окружающей среде, обеспечивая срок их жизни до нескольких тысяч лет. Именно поэтому ПФАС часто называют «вечными химикатами».
Стойкость ПФАС вызывает беспокойство из-за их повсеместного распространения. ПФАС просачиваются в почву и водоемы с военных баз, аэропортов, заводов и сельскохозяйственных стоков. В США, по меньшей мере 45% водопроводной воды содержит хотя бы один тип ПФАС. Распространенность и концентрация могут быть и выше, учитывая, что с помощью современных тестов обнаруживается лишь небольшая часть ПФАС. Люди и животные не могут метаболизировать ПФАС. Эти химические вещества попадают в организм с водой или пищей и медленно выводятся из него, в основном с мочой, хотя их поступление в организм значительно опережает выведение. В результате ПФАС накапливаются в таких органах, как печень и почки, где могут оставаться годами. Их присутствие связывают с раком, снижением фертильности и нарушением функции иммунной системы, что представляет потенциальную угрозу для здоровья в долгосрочной перспективе.
Накопление ПФАС в нашем организме и окружающей среде в значительной степени происходит из-за того, что микробы — метаболические часовые природы — не способны с ними справиться. Микробы легко эволюционировали, чтобы расщеплять бесчисленные химические вещества, которые человек вносит в окружающую среду. Многие из этих химических веществ структурно схожи с теми, которые встречаются в природе, а это значит, что микробы уже хорошо приспособлены для их распознавания и переработки. ПФАС совершенно другие. Насколько известно, нет ни одного природного продукта, содержащего более одной связи C-F, и даже такие соединения встречаются редко. ПФАС могут содержать десятки таких связей. Например, перфтороктановая кислота (ПФОА) и перфтороктансульфоновая кислота (ПФОС), два наиболее широко используемых и изученных ПФАС, содержат 15 и 17 связей C-F соответственно. «Структурные элементы ПФАС чужды природе и у микробов не было достаточно времени, чтобы развить механизмы, позволяющие использовать эти соединения в качестве источника питательных веществ или энергии. Именно поэтому они так трудно поддаются воздействию», — объяснил Франк Лёффлер, заведующий кафедрой гражданского строительства в Университете Теннесси.
Путь к развитию этих механизмов полон негативного селективного давления. Во-первых, для разрыва связей C-F требуется значительная энергия. При их разрыве высвобождается меньше энергии, чем, например, у углеводородов, таких как жирные кислоты (молекулы, состоящие из связей C-H). Энергетическая выгода от использования ПФАС «внутри» и «снаружи» оказывается сравнительно ниже. Также следует учитывать, что ионы фтора токсичны для клеток; они связывают критически важные металлические кофакторы ферментов, таких как АТФазы, и препятствуют клеточным функциям. Микроорганизмы обычно стремятся избавиться от фтора, а не производить его больше, что именно и происходит при переработке ПФАС.
Тем не менее, «у микроорганизмов есть возможности для улучшения своей работы», — отмечает Лёффлер. Он подчеркивает, что некоторые бактерии заменяют атомы хлора в хлорированных загрязнителях окружающей среды водородом, превращая токсичные соединения в нетоксичные продукты. Этот процесс, известный как восстановительное дехлорирование, происходит в периплазме микробной клетки, а не в цитоплазме. Если бы микроорганизм эволюционировал, чтобы выполнять тот же процесс с фторированными соединениями, фтор высвобождался бы за пределы клетки, чтобы защитить внутриклеточные ферменты. Такая эволюция теоретически возможна, но её временные рамки остаются неясными. «Происходит ли это в масштабах человеческой жизни? Или на это уходят сотни тысяч или миллионы лет? Или мы можем ожидать чего-то через несколько десятилетий? Мы не знаем», — говорит Лёффлер.
Это не значит, что микробы вообще не взаимодействуют с ПФАС. На самом деле, их метаболизм влияет на концентрацию в окружающей среде некоторых из самых трудно поддающихся воздействию веществ. Из двух категорий молекул ПФАС перфторалкильные соединения, такие как ПФОА и ПФОС, особенно проблематичны, поскольку все их атомы углерода полностью насыщены фтором. В отличие от них, полифторалкильные соединения содержат по крайней мере один другой тип связи, например, между углеродом и водородом. Микроорганизмы окружающей среды могут легко метаболизировать эти связи и, как следствие, оставлять в качестве побочных продуктов более мелкие полностью фторированные молекулы. Таким образом, некоторые полифторалкилы выступают в качестве предшественников перфторалкильных соединений — и микробы могут осуществить эту трансформацию. Это очевидно, например, при очистке сточных вод. Можно было бы ожидать, что в очищенных сточных водах концентрация ПФАС будет ниже, чем в исходных. Но иногда количество перфторалкильных соединений может быть выше после очистки из-за биотрансформации предшественников микроорганизмами в процессе очистки. Таким образом, невозможно оценить количество и состав ПФАС в окружающей среде без учета микроорганизмов.
Недавние исследования Лёффлера показывают, что это ещё не вся история. Его лаборатория выяснила, что распространённые промежуточные продукты биотрансформации ПФАС ковалентно интегрированы в бактериальные клетки. Клетки используют эти промежуточные продукты вместо обычных жирных кислот в своих глицерофосфолипидах, которые затем используются для построения мембран. Учёные первоначально сосредоточились на штамме Pseudomonas, обнаруженном в почве, но позже обнаружили, что каждый протестированный ими вид (например, другие виды Pseudomonas, E. coli и Enterococcus faecalis) в различной степени включал эти промежуточные продукты в свои мембраны. Почему они это делают и является ли это преднамеренным, пока неясно.
«С экологической точки зрения это очень важно, потому что если значительная масса предшественника ковалентно включена в бактериальную биомассу, эта фракция не будет видна при стандартном анализе образцов окружающей среды. Таким образом, может существовать неучтённый пул предшественников, который ещё не был обнаружен», — объяснил Лёффлер. Более точное понимание круговорота ПФАС в окружающей среде имеет важное значение для определения масштабов проблемы загрязнения и способов ее решения.
В этом контексте следует отметить, что хотя микроорганизмы и не способны полностью расщеплять ПФАС, существуют микроорганизмы, способные преобразовывать их (включая особенно устойчивые, такие как ПФОА и ПФОС) в более мелкие соединения. Эти наблюдения побудили к изучению потенциала микроорганизмов для биоремедиации ПФАС. Одно исследование показало, что Pseudomonas aeruginosa (экологическая бактерия, известная своей способностью вызывать инфекции у восприимчивых хозяев) преобразовала 27,9% ПФОА и 47,3% ПФОС в культуре через 96 часов. Побочными продуктами этих реакций были более мелкие фторированные соединения с более коротким периодом полураспада по сравнению с исходными продуктами, хотя они все еще имеют негативные последствия для здоровья. Аналогичные результаты наблюдались при 100-дневной инкубации автотрофного штамма Acidimicrobium sp. A6 - бактерия дефторировала ПФОА и ПФОС, снижая их концентрацию за счет образования более мелких фторсодержащих побочных продуктов. Реакции дефторирования ПФАС могут быть как аэробными, так и анаэробными, с участием ферментов и реакций переноса электронов соответственно.
Однако эти результаты не означают, что существуют готовые решения. Во-первых, эксперименты с культивированием проводятся в специфических, тщательно подобранных лабораторных условиях, которые не отражают сложные природные экосистемы. Более того, цель биоремедиации — снижение токсичности загрязняющих веществ. Тем не менее, некоторые из небольших промежуточных продуктов, образующихся в процессе микробного дефторирования ПФАС, также токсичны, не говоря уже о большей подвижности и водорастворимости по сравнению с исходными молекулами.
Синтетическая биология могла бы ускорить разработку микроорганизмов с высоким потенциалом разложения ПФАС, способных преодолевать существующие препятствия, такие как клеточная устойчивость к фторидам. Стратегии, интегрирующие омиксные технологии, машинное обучение и системную биологию, могли бы дополнительно помочь в разработке эффективных систем микробной ремедиации. Возможно, когда-нибудь ученые создадут микроорганизмы или микробные консорциумы с превосходной способностью к биодеградации, которые можно будет использовать для биоремедиации. Но до этого еще далеко. По словам Лёффлера, нам еще многое предстоит узнать о микробном метаболизме ПФАС. «Сначала нам нужны фундаментальные знания, научные основы. Нам необходимо понимать сам процесс и только потом мы сможем разработать его для практического применения. Мы пока к этому не пришли».
Существуют и другие новые методы биоремедиации ПФАС, включая методы физического удаления и химического разрушения. Тем не менее, биоремедиация сама по себе не является логистически и экономически целесообразным решением проблемы загрязнения ПФАС. Стоимость удаления всей массы ПФАС, ежегодно выбрасываемых в окружающую среду, оценивается более чем в 106 триллионов долларов США, что превышает мировой ВВП. Дорогостоящие технологии уничтожения ПФАС могут работать в масштабах отдельных загрязненных участков, но они не решат глобальную проблему загрязнения. В конечном итоге, решение проблемы ПФАС заключается в предотвращении её усугубления.
«Я думаю, что нецелесообразное использование ПФАС должно быть немедленно прекращено», — считает Лёффлер. «Призывы к полному запрету производства ПФАС непродуктивны, поскольку многие важные вещи [например, компьютеры, аккумуляторы электромобилей, фотоэлектрические панели] используют их, и у нас нет заменителей. Но все некритичные виды использования должны быть прекращены». В апреле 2024 года Агентство по охране окружающей среды США завершило разработку национальных стандартов питьевой воды для 6 распространенных ПФАС, установив первые в стране юридические ограничения на допустимые концентрации ПФАС в питьевой воде. Однако в мае 2026 года агентство предложило правило, которое отменило бы максимально допустимые уровни загрязнения для 4 из ПФАС, тем самым ограничив влияние регулирования. Продолжение регулирующих мер в отношении использования и выброса ПФАС будет иметь важное значение в борьбе с необратимым химическим загрязнением.
Для Лёффлера ситуация с ПФАС подчеркивает более масштабную проблему разработки и использования промышленных химикатов. Часто компании производят и начинают использовать новые химические вещества, но их воздействие на здоровье и окружающую среду становится ясным лишь спустя годы после начала их использования. «Можем ли мы внедрить систему, которая будет получать ранние предупреждения и указывать промышленности как поступать?» — задается вопросом Лёффлер. «Я не знаю, как реализовать нечто подобное в капиталистической системе. Это главная проблема, которую я пытаюсь решить».
