Känd som en kemisk tillverkningsbiprodukt av många kosmetika och hemrengöringsprodukter, det industriella lösningsmedlet 1, 4-Dioxane anses nu av Environmental Protection Agency vara en "framväxande förorening" och "sannolikt humant cancerframkallande ämne" som kan hittas på tusentals grundvattenplatser nationellt - potentiellt representerar en miljösaneringsutmaning för flera miljarder dollar.

Dock, det är föroreningens frekventa samexistens med en annan giftig kemikalie—1, 1-dikloretylen (1, 1-DCE)—som har visat sig vara till hjälp i 1, 4-dioxans resistens mot vissa saneringsstrategier, inklusive nedbrytning av naturligt förekommande mikrober.

Nu, New Jersey Institute of Technology (NJIT) forskare har detaljerat upptäckten av den första bakterien som är känd som kan samtidigt bryta ned paret av kemiska föroreningar—1, 4-dioxan och 1, 1-DCE. Studien, publiceras i Miljövetenskap och teknikbrev , visar också mikrobens effektivitet, kallad Azoarcus sp. DD4 (DD4), att minska 1, 4-dioxan och 1, 1-DCE-nivåer i samförorenade grundvattenprover.

"Riksomfattande, forskare har funnit att mer än 80 % av grundvattenområdena är förorenade med 1, 4-dioxan innehåller också 1, 1-DCE, sa Mengyan Li, biträdande professor i kemi och miljövetenskap vid NJIT. "Detta par kemikalier är giftiga och kostsamma att ta bort från miljön eftersom paret har väldigt olika egenskaper som vanligtvis kräver separata behandlingslösningar. Biologisk nedbrytning av DD4 är den första biologiska metoden vi har hittat för att behandla båda föreningarna samtidigt, och det är också miljövänligt och kostnadseffektivt."

Lis forskargrupp upptäckte först mikroben DD4 från prover av aktivt slam som samlats in från en kommunal reningsanläggning för avloppsvatten. I labbet, Lis team kunde isolera och analysera DD4:s förmåga att degradera 1, 4-dioxan och 1, 1-DCE samtidigt i förorenade grundvattenprover under en tvåveckorsperiod.

Att applicera mikroben på fältproverna, Lis team observerade att koncentrationen av 1, 4-dioxan bröts ned från 10 delar per miljon (10 ppm) – eller 3, 000 gånger gränsen för EPA:s vägledningsnivå på 0,35 delar per miljard (0,35 ppb) – till under 0,38 ppb. Labbet hittade också 1, 1-DCE-koncentrationsnivåer minskade från över 3 ppm till under 0,02 ppm.

I synnerhet, DD4 visade resistens mot celltoxicitet producerad av metaboliterna av 1, 1-DCE, som vanligtvis hämmar förmågan hos andra bakterier som kan bryta ned 1, 4-dioxan. Lis team observerade att även om DD4 delvis hämmades i sin förmåga att degradera 1, 4-dioxan när för stora mängder av 1, 1-DCE spetsades artificiellt i vattenproverna, 1, 4-dioxan-nedbrytningsförmågan återhämtade sig omedelbart när mikroben hade utarmat 1, 1-DCE.

"Övergripande, vi blev imponerade av prestandan hos DD4, " sa Li. "Vi tillsatte inte näringsämnen som ammoniak för mikroben att äta på, eller andra facilitatorer som kan förbättra bakteriens aktivitet. Detta visade för oss potentialen hos denna bakterie för framtida användning i fält."

I en analys av den genetiska sammansättningen av DD4, Lis labb identifierade en potentiell nyckelgen relaterad till mikrobens kemiska nedbrytningsaktivitet. Li säger att genen kodar för ett enzym, kallas lösligt di-järnmonooxygenas (SDIMO), med mångsidiga möjligheter att bryta ner kemiska föroreningar. "Vi vill karakterisera det (det här enzymet) ytterligare för att se om vi bättre kan lära oss mekanismen bakom hur DD4 bryter ned dessa föroreningar." sa Li.

Tillsammans med DD4:an 1, 1-DCE-resistens och förmåga att bryta ned samföroreningarna samtidigt, Li säger att bakterien har flera andra nyckelegenskaper som gör den gynnsam som en potentiell biosaneringslösning på förorenade grundvattenplatser - som dess förmåga att spridas fritt genom vatten för att åtgärda större föroreningsområden, snarare än att aggregera som andra bakteriella behandlingar. Mikroben kan också odlas snabbt och kan upprätthållas under långa perioder med begränsad näringskälla.

"Vi testade bakterien i normal kyltemperatur under tre dagar och dess livsduglighet förblev över 80 %, " sa Li. "Efter en vecka, hälften levde fortfarande. Detta gör det ännu mer önskvärt eftersom det skulle kunna överleva leveranstiden från labbet till förorenade platser."

Lis lab genomför nu ytterligare tester av bakterien i labbet för att bättre förstå hur DD4 kan prestera på förorenade vattenplatser. Med genomförbarhetstester som redan pågår, Li säger att hans team skulle kunna påbörja fältdemonstrationer av DD4 som en vattenbehandlingslösning för 1, 4-dioxan och 1, 1-DCE föroreningsplatser så tidigt som nästa år.

"Helst, vi kan injicera bakterierna i mitten av en föroreningszon, eller prova att odla dem på ytan av biobarriärer som hjälper till att stoppa spridning av kontaminering, " sa Li. "Först, vi skulle vilja göra fler tester och möjligen utveckla en genmarkör som hjälper oss att bedöma bakteriernas prestanda. Sedan, vi skulle vilja flytta in på fältet."