Bakterie vycvičené evolucí v nejšpinavějších místech planety se učí požírat plasty i obávané věčné chemikálie

Přezdívá se jim „věčné chemikálie“. Organismu trvá i deset let, než sníží jejich obsah na polovinu. V přírodě se některé z nich úplně nerozloží nikdy. Přitom je od druhé poloviny 20. století používáme stále ve větším rozsahu. Nacházejí uplatnění při výrobě kuchyňského nádobí a nepromokavého oblečení, chrání před ušpiněním bytové textilie. Najdeme je v obalech na potraviny a nápoje nebo v kosmetice, tvoří klíčovou složku hasicích pěn.

Za desetiletí pronikly všude. Jsou v podzemních vodách, v půdě, v ovzduší. Představují stejný globální problém jako mnohem známější polychlorované bifenyly. Souhrnně se označují jako per- a polyfluorované alkyly (zkráceně PFAS z anglického perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances). Jejich seznam čítá minimálně 12 000 položek a za mnohé neexistuje rovnocenná náhrada. Přitom je stále jasnější, že pro životní prostředí i lidské zdraví představují vážnou hrozbu.

Obezitě na stopě

Kouzlo i zrada PFAS se skrývá v silné reaktivitě fluoru a z toho vyplývající vysoké stabilitě jeho sloučenin. Platí to i o sloučeninách fluoru s uhlovodíky a od nich odvozenými organickými kyselinami. Jako příklad si můžeme uvést kyselinu oktanovou, známou také jako kaprylovou. Tato olejovitá kapalina slabě nažluklého pachu se vyskytuje přirozeně třeba v kokosovém mléce. Když vodíky navázané na uhlíkové atomy kyseliny kaprylové nahradí atomy fluoru, vzniká kyselina perfluoroktanová.

Zatímco kyselina kaprylová se snadno rozkládá, kyselina perfluoroktanová je vysoce stabilní a má celou řadu zajímavých vlastností, pro něž našla široké použití v průmyslu. Protože je nesmáčivá, impregnovaly se s ní tkaniny včetně koberců, čalounění, oděvů či bytových textilií. Používala se ale i v podlahových voscích, tmelech a hasicích pěnách. Slouží jako výchozí surovina při výrobě teflonu nebo goretexu.

Kyselina perfluoroktanová a látky z ní připravené se vyráběly ve velkém a také se hojně využívaly. Teprve dodatečně se ukázalo, že je schopná vyvolat nádorové bujení, je toxická pro játra, narušuje imunitní systém, způsobuje defekty u vyvíjejících se embryí a plodů. Narušuje hormonální rovnováhu organismu, například produkci hormonů štítné žlázy, ale i hormonů důležitých pro udržení plodnosti. Přímo i zprostředkovaně zasahuje do metabolismu tuků a působí jako tzv. obesogen – látka významně přispívající ke vzniku obezity.

Narušené molekuly

V přítomnosti kyseliny perfluoroktanové vzniká v organismu zvýšené množství volných kyslíkatých radikálů vyvolávajících svou vysokou reaktivitou tzv. oxidativní stres, kdy jsou v buňkách narušeny životně důležité molekuly. Poškození lipidů má za následek narušení buněčných membrán.

Degradace proteinů se promítá do funkce enzymů, ale i do stavby buněk. Významné jsou reakce volných kyslíkatých radikálů s dvojitou šroubovicí DNA, protože vedou ke vzniku nebezpečných mutací. Z těchto důvodů je používání kyseliny perfluoroktanové od roku 2020 zakázáno. Vzhledem k její vysoké stabilitě ale z našeho světa ještě dlouho nevymizí a budou se s ní potýkat i generace našich potomků.

Drtivou většinu PFAS ze dne na den zakázat nelze, protože za mnohé nemáme náhradu. Banální, ale názorný příklad obtížného hledání vhodných náhražek přinesl zákaz PFAS v lyžařských voscích. Na ten se výrobci připravovali s několikaletým předstihem, a přesto se nové vosky hlavně na mokrém sněhu svým „fluorovým“ předchůdcům nevyrovnají.

Snahy o únik před účinky PFAS maří jejich všudypřítomnost. Recept na život v PFAS-free prostředí neexistuje. Určitou ochranu skýtá filtrace pitné vody. Nižší zátěži čelí lidé, kteří volí vybavení bytu, například koberce, bez PFAS. Výrobci ale často potřebné informace na svých produktech neudávají, takže spotřebitelé tápou. Lékaři hledají způsoby, jak posílit vylučování PFAS z organismu.

Ukazuje se například, že pacienti užívající cholestyramin na snížení hladiny „zlého“ cholesterolu LDL mají v těle nižší hladiny PFAS než lidé, kteří tento lék neberou. Méně PFAS mají v těle také pravidelní dárci krve a krevní plazmy, a to i tehdy, že jsou těmto látkám vystaveni ve zvýšené míře (např. hasiči).

Rozklad PFAS

Pro úspěšný boj s PFAS je klíčové jejich odstranění z životního prostředí. To však komplikuje pevná vazba fluoru a uhlíku. PFAS jsou látky, jež nemají v přírodě obdoby, a drtivá většina mikrobů je nedokáže využít. Výjimku představují bakterie ze silně kontaminovaných lokalit. Jestliže u některé z nich dojde ke spontánní změně dědičné informace, jež s sebou přináší schopnost rozkládat PFAS, získá zdroj živin a energie, jenž je ostatním mikroorganismům nedostupný. To s sebou samozřejmě nese významnou výhodu oproti všem konkurentům.

Příkladem takového „žrouta věčných chemikálií“ je bakterie Labrys portucalensis kmene F11, kterou izolovali portugalští vědci z půdy v průmyslové zóně silně znečištěné PFAS.

„Pokud bakterie přežívají v drsném, znečištěném prostředí, je to pravděpodobně proto, že se přizpůsobily k využívání znečišťujících látek jako zdroje potravy. Evolucí získají některé bakterie účinné mechanismy k využívání chemických kontaminantů, a tím si zajistí lepší podmínky pro růst. Vazba mezi atomy uhlíku a fluoru v PFAS je velmi silná, takže ji většina mikrobů nemůže využít jako zdroj energie. Kmen F11 bakterie Labrys portucalensis si ale schopnost odštěpit fluor a konzumovat uhlík vyvinul,“ vysvětluje Diana Agaová ze State University of New York.

Schopnost odštěpit atom fluoru z vybraných léků už bakterie Labrys portucalensis kmene F11 prokázala. Nově ji vědci z týmu Diany Agaové nasadili i na věčné chemikálie. Kultivovali mikroba v nádobách, kde se nenabízel jiný zdroj uhlíku než PFAS, a to ve vysokých koncentracích. Labrys portucalensis dokázal oddělit od uhlíkové „kostry“ PFAS všechny navázané atomy fluoru. Mikrob rozkládá nejen původní PFAS, ale také jejich metabolity.

Mikroplasty a nanoplasty

Do velmi podobné situace jako v případě PFAS se lidstvo dostalo také se znečištěním životního prostředí plasty. Jejich významnější produkce odstartovala rovněž v polovině minulého století a od té doby raketově roste. Ročně se ve světě vyrobí přes 400 milionů tun plastů více než 10 000 druhů. Mnohé plastové výrobky mají doslova jepičí život a obratem končí v odpadech. Lidstvo tak zatím vyprodukovalo 2,5 miliardy tun plastových odpadů a každý rok k nim přidá dalších 380 milionů tun.

Také roční produkce plastových odpadů rychle narůstá a do roku 2060 může být oproti dnešku trojnásobná. Recykluje se jen 9 % všech plastových odpadů a 70 milionů tun plastů se každoročně spálí, což má za následek kromě emisí oxidu uhličitého i vznik nebezpečných látek a jejich únik do ovzduší.

Obrovské množství plastů končí na skládkách nebo v životním prostředí, kde se pomalu rozkládají na částice různé velikosti. Ty se podle rozměrů dělí na makroplasty (velikost nad 5 milimetrů), mikroplasty (rozměry od 5 milimetrů do 1 mikrometru) a nanoplasty (částice menší než 1 mikrometr).

Zdokonalený mikrob

Také při odstraňování mikroplastů a nanoplastů z životního prostředí vsázejí vědci na mikroorganismy schopné tyto jinak poměrně odolné látky rozkládat. Pátrají po nich například na skládkách komunálního odpadu, kde se plasty nejrůznějšího druhu vyskytují ve velkém množství. Japonští vědci tak narazili na skládce u města Sakai na bakterii Ideonella sakaiensis schopnou rozkládat polyetylentereftalát, z něhož se vyrábějí např. populární PET láhve.

Zatím je mikrob jen málo výkonný, což lze vysvětlit skutečností, že se na rozklad plastů adaptoval teprve nedávno a ke zdokonalení potřebuje čas. Vědci naštěstí nejsou odkázáni na pomalý chod procesů přírodního výběru. Umělá inteligence dovoluje navrhnout modifikace bakteriálních genů tak, aby produkovaly podstatně účinnější enzymy pro rozklad plastů.

Bakterie s takto zdokonalenou dědičnou informací bude možné využít různým způsobem. Buď budou nasazeny do přírody, aby tam intenzivně rozkládaly částice plastů, nebo je lidé nasadí přímo do likvidace plastových odpadů. I tady se nabízí několik možností. Jednou je rozklad plastů bakteriemi pěstovanými v bioreaktorech, druhou pak likvidace plastů v průmyslových provozech pomocí bakteriálních enzymů vylepšených umělou inteligencí.

Bakterie či jejich enzymy rozkládají polymery plastů na jejich výchozí komponenty, u polyetylentereftalátu na etylen a tereftalát. Produkty tohoto rozkladu lze využít k syntéze nových plastů. Mikrobi by tak umožnili recyklaci na molekulární úrovni. 

Propletené osudy PFAS a plastů

Mohlo by se zdát, že PFAS nemají s mikroplasty a nanoplasty mnoho společného. Jedny působí jako molekuly, druhé jako drobné částečky. Ve skutečnosti vstupují PFAS a mikroskopické částice plastů do synergií, o jejichž existenci jsme dlouho neměli nejmenší tušení. Nedávno například publikovali výzkumníci z týmu vedeného Philipem Demokritouem z Rutgersovy univerzity v americkém Piscataway výsledky experimentů, v nichž sledovali průnik mikroplastových kuliček polystyrenu stěnou tenkého střeva. Přitom zjistili, že přítomnost některých chemických látek, jako jsou pesticidy používané v zemědělství nebo právě PFAS, zvyšují průchodnost střevní stěny pro nanoplasty až šestkrát. Zároveň se tyto látky vážou na povrch nanoplastů a s nimi pak zvýšenou měrou pronikají do organismu.

Společně tedy páchají v těle zvířat i lidí několikanásobně větší škody, než když se do nich dostanou samostatně. Výraznější je tento efekt u nanoplastů.

„Víme, že nanoplasty mohou pronikat biologickými bariérami, jako je střevní sliznice nebo stěny cév,“ připomíná Demokritou. „Čím menší jsou částice, tím spíše pronikají za biologické bariéry, které náš organismus chrání.“

Problémy spojené s plasty a PFAS se propletly i v kauze „ekologických“ brček, která nahradila zakázaná brčka z plastů. Náhražky se často vyrábějí z materiálů, jež se snadno rozmáčí, např. z papíru. Výrobci se tomu brání impregnací materiálu a nejednou sáhnou i po PFAS pro jejich vodoodpudivost. Nejčastějším typem PFAS nalézaným v „ekologických“ brčkách byla nechvalně proslulá kyselina perfluoroktanová. Kromě ní analýzy odhalily také kyseliny trifluoroctovou a trifluormetansulfonovou. Tyto tzv. PFAS s ultrakrátkým řetězcem jsou dobře rozpustné ve vodě, a z brček se proto mohou vylouhovat do nápojů.