Verwendung von Meeresbakterien zur Entgiftung von Asbest

Wissenschaft und Technologie

Asbestmaterialien, eine Gruppe natürlich vorkommender Mineralien, die einst aufgrund ihrer Festigkeit und Hitzebeständigkeit in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet waren, gelten als berüchtigt für ihre Gesundheitsgefährdung. Obwohl ihre Verwendung erheblich zurückgegangen ist, sind die Mineralien in den Vereinigten Staaten nicht verboten, und Menschen können immer noch exponiert sein, wenn asbesthaltige Gebäude während Renovierungs- oder Abrissarbeiten beschädigt werden.

Die Gefahr traf ganz in der Nähe zu, als mehrere Schulen im Schulbezirk von Philadelphia geschlossen wurden, nachdem die Asbestinspektionen fehlgeschlagen waren. Penn hat dem Schulbezirk einen Beitrag in Höhe von 100 Millionen US-Dollar zugesagt – 10 Millionen US-Dollar pro Jahr für 10 Jahre –, der zur Beseitigung von Umweltgefahren, einschließlich Asbest und Blei, in öffentlichen Schulgebäuden verwendet werden soll. Für den Umgang mit Asbest sind jedoch bessere Sanierungsmöglichkeiten erforderlich.

Nun zeigen Forscher des Department of Earth and Environmental Science der Penn University, dass Bakterien aus extremen Meeresumgebungen das Potenzial haben, Asbest zu entgiften. Ihre in der Fachzeitschrift Applied and Environmental Microbiology veröffentlichte Studie legt nahe, dass Meeresmikroben möglicherweise bessere Kandidaten für die Asbestbiosanierung sind als zuvor getestete Pilze und Bodenbakterien.

„Wir wollten die Forschung zur biologischen Sanierung von Asbest erweitern, indem wir nach Möglichkeiten suchen, die Toxizität dieser Mineralien zu verringern, um sie sicherer zu entsorgen oder als Sekundärrohstoffe wiederzuverwenden“, sagt die leitende Autorin Ileana Pérez-Rodríguez, Assistenzprofessorin für Erd- und Umweltwissenschaften, die sich auf die Erforschung extremophiler Stoffe spezialisiert hat Tiefseemikroben.

Zu diesem Zweck arbeitete Pérez-Rodríguez mit Reto Gieré zusammen, der über eine lange Erfahrung in der Charakterisierung von Asbestmineralien verfügt. Sie dachten, dass diese extremophilen Mikroben gute Kandidaten für die biologische Sanierung von Asbest sein könnten, da sie anorganische Verbindungen verwenden und mit einer Vielzahl von Mineralien in ihrer natürlichen Umgebung interagieren.

Das Team konzentrierte sich auf zwei Bakterienarten, Deferrisoma palaeochoriense und Thermovibrio ammonificans, um zwei Aspekte von Asbestmineralien zu bekämpfen, die sie beim Einatmen gefährlich machen: ihren Eisengehalt, der maßgeblich für die krebserregende Wirkung des Materials verantwortlich ist, und ihre faserige Struktur, die Entzündungen verursacht .

Um die Fähigkeit der Mikroben, Asbest zu entgiften, zu testen, inkubierten die Forscher sie sieben Tage lang bei 60 °C oder 75 °C – den bevorzugten Temperaturen der Mikroben – in kleinen, mit Flüssigkeit gefüllten Flaschen, die auch Asbestmineralien enthielten. In diesem Zeitraum nahmen die Forscher Proben des flüssigen Mediums, um das Zellwachstum und Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung zu verfolgen, und nutzten Elektronenmikroskopie, um nach Veränderungen in der Mineralstruktur zu suchen. Sie fanden heraus, dass D. palaeochoriense, der Eisen als Teil seines Stoffwechsels verwendet, effektiv einen Teil des Eisens aus Asbest entfernen kann, während er es zum Wachstum verwendet. Dieser Eisenentzug veränderte jedoch nicht die gesamte Faserstruktur des Minerals, die teilweise für seine Toxizität verantwortlich ist.

„Dies ist ein schrittweiser Prozess, bei dem ein hochgefährliches Mineral weniger gefährlich gemacht wird“, sagt Pérez-Rodríguez. „Man kann das Mineral weniger giftig machen, indem man die mit dem Eisen einhergehende chemische Reaktivität beseitigt, aber man hat immer noch die faserige Struktur, also lautet die nächste Frage: ‚Wie zerlegen wir die Form?‘“

Asbestmineralien bestehen aus einem Silikatgerüst, und frühere Studien haben gezeigt, dass die Entfernung von Silizium- und Magnesiumionen aus diesem Grundgerüst seine Faserstruktur zerstören kann. Hier kam das zweite Bakterium, T. ammonificans, ins Spiel.

„Durch Mikroskopie können wir sehen, dass diese Mikroben Silizium in ihre Biofilme einbauen“, sagt Pérez-Rodríguez. „Wenn wir an Biofilme denken, denken wir normalerweise an eine Art schleimigen Schleim, aber in diesem Fall sind die Biofilme tatsächlich ziemlich starr; Sie bauen im Grunde kleine Häuser aus Steinen.“

Die Forscher fanden heraus, dass T. ammonificans Silizium aus „Serpentinen“-Asbest ansammeln konnte, der lockige Fasern aufweist, nicht jedoch aus „Amphibol“-Asbest, der gerade, nadelförmige Fasern aufweist. „Angesichts der einzigartigen chemischen Zusammensetzungen und Kristallstrukturen, die mit jedem Asbestmineral verbunden sind, verdeutlicht dies wirklich, wie schwierig es ist, Asbestbehandlungen als Einheitslösung zu betrachten“, sagt Pérez-Rodríguez.

Asbestbehandlungen auf mikrobieller Basis sind eine wünschenswerte Alternative zu aktuellen Asbestbehandlungsmethoden, bei denen entweder das Asbest auf sehr hohe Temperaturen und Drücke erhitzt oder mit starken Säuren oder Basen behandelt wird. Es bedarf jedoch weiterer Forschung, um zu testen, wie diese Methoden zur Asbestsanierung in großem Maßstab eingesetzt werden könnten.

„Das war nur ein erster Labortest, und natürlich gibt es noch Fragen, und wir müssten noch viel mehr Forschung betreiben, aber hoffentlich können wir es auf die nächste Stufe bringen“, sagt Gieré.

Die Studie wurde gemeinsam von der ehemaligen Postdoktorandin Jessica Choi, jetzt Postdoktorandin an der University of Michigan, und Ruggero Vigliaturo, jetzt Assistenzprofessor an der Universität Turin, verfasst.

Diese Forschung wurde von Penn Start-up Funds, einem Penn Elliman Faculty Fellowship und dem Penn Center of Excellence in Environmental Toxicology (Grant P30-ES013508) sowie vom National Institute of Environmental Health Sciences der National Institutes of Health unterstützt ( P42-ES023720). Ein Teil dieser Arbeit wurde am Penn's Singh Center for Nanotechnology durchgeführt, Teil des National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program, das von der National Science Foundation (Grant NNCI-1542153) unterstützt wird.