[미국] 미생물, 가장 강한 PFAS를 분해

혐기성 조건 하에 일반적인 미생물 군집, 초강력 탄소-불소 결합을 깨뜨릴 수 있어

유지에 맨. [사진제공 = UC Riverside]

캘리포니아 주립대 리버사이드 캠퍼스(UC Riverside)의 연구팀은 일반 미생물에 의해 불소화 카르복실산(FCAs)이라고 불리는 특히 완고한 종류의 PFAS를 선택적으로 분해할 수 있다는 연구결과를 최초로 발표했다.

혐기성 조건 하에 탄소-탄소 이중 결합은 미생물 군집에 의한 초강력 탄소-불소 결합을 깨뜨리는 데 중요한 역할을 하다. 탄소-탄소 결합을 깨뜨리는 것이 분자를 완전히 분해하는 것은 아니지만, 이를 통해 생성된 생성물은 호기성 조건에서 탈불소화를 위해 다른 미생물에 전달될 수 있어 중요하다.

이 성과는 탄소-불소 결합을 탄소-수소 결합으로 대체하여 완전히 불소화된 PFAS 구조의 미생물 탈불소화에 최초로 성공했다고 보고한 본 연구팀의 이전 연구를 기반으로 한다.

PFAS(Per-fluoroalkyl) 또는 PFAS(Polyfluoroalkyl)는 1940년대 이후 수많은 산업 공정 및 상업 제품에 사용된 9천 개 이상의 화학 물질이다. 그 결과, PFAS는 물 순환에 영향을 미치고 이제 거의 모든 수원에서 발견된다. 이 화학 물질은 알려진 가장 강력한 단일 결합인 불소와 탄소 원자 사이의 결합이 포함되어 있어, PFAS를 생분해할 수 없고 기존의 수처리 방법에 내성을 갖게 한다. 이 오염물질은 인간을 포함한 유기체 조직에 들어가 일부 유형의 암, 갑상선 및 간 문제, 그리고 여전히 잘 알려지지 않는 기타 건강 문제를 일으킨다.

이전 논문에서 화학 및 환경 공학 조교수인 유지에 맨(Yujie Men) 연구팀은 혐기성 미생물 군집은 완전히 불소화된 또는 과불소화된 구조를 포함한 두 가지 특정 PFAS를 분해하기 위한 탈염소에 자주 사용된다고 보고했다.

이번 논문은 혐기성 미생물의 진입점이 FCA 분자의 카르복실기(carboxyl group) 옆에 위치한 탄소 원자 사이의 이중 결합임을 보여줌으로써, 이 연구를 한 단계 더 발전시켰다. 이중 결합 상의 트리플루오로메틸(Trifluoromethyl) 가지가 생분해성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이러한 유형의 탈불소화를 수행할 수 있는 미생물은 드물지 않다. 유기물을 분해하고 제거하기 위해 폐수 처리 시설에서 일반적으로 사용되는 미생물 군집인 활성 슬러지와 혐기성 조건을 사용하여 연구원들은 구조적으로 더 유사한 PFAS를 사용하여 이전 실험을 성공적으로 반복했다.

맨 교수는 “현재 PFOA와 같은 과불소 화합물을 탈불소화할 수 있는 생체 촉매는 매우 드물다. 우리는 여전히 어떤 미생물이나 효소가 일반적으로 PFAS의 탈불소화를 할 수 있고 어떻게 작용하는지에 대해 거의 알지 못한다”라며, "우리의 작업은 이러한 정보를 찾는 데 있어 가장 앞서 있다"고 전했다.

과학자들이 과불소 화합물에서 초기 탄소-불소 결합을 끊는 방법을 알아냈을 때조차, 그들의 연구는 이루어지지 않고 있는데, 그 분자들이 또한 해로울 수 있는 다른 분자로 분해될 가능성이 있기 때문이다. PFAS로 오염된 환경을 성공적으로 복원하려면 PFAS 모분자를 초기 분해한 후 2차 분자를 완전히 분해해야 한다.

맨 교수의 연구팀의 최근 연구는 활성 슬러지 군집이 공동대사(cometabolism)로 알려진 과정을 통해 한 종류의 과불소화 화학 물질의 화학적 분해로부터 2차 분자를 완전히 분해할 수 있음을 보여줬다. 그들의 새로운 연구는 더 나아가 단순히 혐기성 및 호기성 박테리아와 같은 다른 미생물 그룹들 간의 협력을 통해 특정 과불소화 화학물질에 대해 더 깊은 탈불소화가 이루어질 수 있음을 암시한다.

공동 저자로는 UC Riverside의 Yaochun Yu, Shun Che, Changxu Ren, Bosen Jin, Jinyong Liu와 Northeastern University의 Zhenyu Tian이 있다. 본 연구는 "혐기성 및 호기성 조건에서 불포화 과불화 카르복실산 및 다중불화 카르복실산의 미생물 탈불소화: 구조 특이성 연구"라는 논문으로 『환경과학기술(Environmental Science & Technology)』에 게재됐다.

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Microbes can degrade the toughest PFAS

Under anaerobic conditions, common microbial communities can break the ultra-strong carbon-fluorine bond

ngineers at UC Riverside are the first to report selective breakdown of a particularly stubborn class of PFAS called fluorinated carboxylic acids (FCAs) by common microorganisms. 

Under anaerobic conditions, a carbon-carbon double bond is crucial for the shattering the ultra-strong carbon-fluorine bond by microbial communities. While breaking the carbon-carbon bond does not completely degrade the molecule, the resulting products could be relayed to other microorganisms for defluorination under in aerobic conditions. 

The achievement builds upon prior work by the same researchers, who were the first to report successful microbial defluorination of a fully fluorinated PFAS structure by replacing carbon–fluorine bonds with carbon-hydrogen bonds. 

Per- and polyfluoroalkyl substances, or PFAS, are a group of over 9,000 chemicals used in countless industrial processes and commercial products since the 1940s. As a result, PFAS have found their way into the water cycle and are now found in virtually every water source. These chemicals contain a bond between fluorine and carbon atoms that is the strongest single bond known, rendering PFAS non-biodegradable and resistant to conventional water treatment methods. They wind up in the tissues of organisms, including humans, where they have been associated with some types of cancer, thyroid and liver problems, and likely other, still poorly understood, health problems.

In an earlier paper, Yujie Men, an assistant professor of chemical and environmental engineering, and her colleagues reported using anaerobic microbial communities often used for dechlorination to degrade two specific PFAS, including one fully fluorinated, or perfluorinated, structure. 

The new paper takes this research a step further by showing that the point of entry for the anaerobic microbes was a double bond between carbon atoms located next to the carboxyl group of the FCA molecules. Trifluoromethyl branches on the double bond could further enhance the biodegradability.

Microbes capable of doing this type of defluorination are not rare. Using activated sludge —  microbial communities commonly used in wastewater treatment facilities to break down and remove organic matter — and an anaerobic condition, the researchers successfully repeated their earlier experiment with more structurally similar PFAS. 

“Currently biocatalysts that can do defluorination of perfluorinated compounds like PFOA are very rare. We still know very little about which microbes or enzymes can do the defluorination of PFAS in general and how,” said Men. “Our work is at the leading edge of finding this information.”

Even when scientists figure out ways to break the initial carbon-fluorine bond in perfluorinated compounds, their work isn’t done because the molecules are likely broken down into other molecules that could also be harmful. Successful remediation of PFAS-contaminated environments requires initial breakdown of the PFAS parent molecule followed by complete degradation of the secondary molecules. 

One recent study by the Men group demonstrated that activated sludge communities were able to completely degrade the secondary molecule from chemical degradation of one type of perfluorinated chemical via a process known as cometabolism. Their new study further implies that simply through the cooperation among different microbial groups, such as anaerobic and aerobic bacteria, deeper defluorination could also be achieved for certain perfluorinated chemicals.

Men’s co-authors include Yaochun Yu, Shun Che, Changxu Ren, Bosen Jin, and Jinyong Liu at UC Riverside and Zhenyu Tian at Northeastern University. The paper, “Microbial defluorination of unsaturated per- and polyfluorinated carboxylic acids under anaerobic and aerobic conditions: a structure specificity study,” is published in Environmental Science & Technology and is available here.

[출처 = UC Riverside(https://news.ucr.edu/articles/2022/05/23/microbes-can-degrade-toughest-pfas) / 2022년 5월 23일]