Kompost je mikrobiologické muzeum

Člověk vyrábí spoustu organických látek, které jsou přírodě neznámé a špatně se rozkládají. Mnohé z nich představují nebezpečí – od akutní toxicity po nenápadné narušování hormonálních drah živočichů i člověka. Dohánějí nás staré hříchy a zároveň pácháme nové. Environmentální chemik Tomáš Cajthaml zkoumá možnosti, jak s organickým znečištěním bojovat. Někdy mohou pomoci v principu jednoduché metody, pokud se správě uchopí. Třeba kompostování…

V souvislosti s problematikou endokrinních disruptorů, tedy látek narušujících hormonální dráhy, se nejčastěji zmiňují rezidua hormonální antikoncepce dostávající se odpadními vodami do prostředí. Je to ten hlavní problém? — Význam antikoncepce se stále zkoumá, její účinky jsou sice silné, ale v prostředí je jí mnohem méně než některých jiných látek. Do prostředí se dostává řada přirozených hormonů, třeba ze zemědělství od krav, ale tyto hormony se rozkládají docela dobře. Známý syntetický endokrinní disruptor je bisfenol A (BPA), napodobující estrogen. Sice není jako disruptor moc silný, ale vyrábí se v obrovském množství, je to jedna z nejpoužívanějších organických látek v průmyslu obecně. Ale přece jen už se o jeho účincích ví, takže se začíná nahrazovat, typicky bisfenolem S nebo F. Ale ukazuje se, že jsou podobně problematické jako BPA (viz Vesmír 96, 322, 2017/6, pozn. red.).

Endokrinní disruptory jsou chemicky asi docela pestrá skupina látek. — Naprosto. I hormonálních drah, které mohou být narušeny, je řada. Ale nejčastěji se studie věnují napodobování nebo naopak blokování pohlavních hormonů.

Dá se o nich z pohledu chemika říct něco obecně platného? — Jeden společný strukturní motiv u látek napodobujících pohlavní hormony přece jen je. Mají benzenové jádro s OH skupinou v jedné konkrétní poloze. A to je struktura, která se dost neochotně rozkládá, i když se to nedá úplně generalizovat. Látky ovlivňující dráhy hormonů štítné žlázy, tyroxinu a trijodtyroninu, na sobě zase zpravidla mají halogeny, zejména fluor, chlor nebo brom. Je-li takový halogen na benzenovém jádře, jedná se opět o strukturu, která se v přírodě téměř vůbec nevyskytuje. Tu vyrábíme v podstatě jenom my lidé. O těchto látkách se tolik nemluví. Přitom se ví, že narušují dráhy těchto hormonů se všemi důsledky, které to přináší – s vývojovými a behaviorálními poruchami u dětí a podobně.

Kde je používáme? — Jsou například v mnoha kosmetických přípravcích. V zubních pastách jsou antimikrobiální látky, například triclosan (obchodní název Irgasan). Ten už výrobci zřejmě potichu začali nahrazovat jinými látkami, přestože zatím není zakázaný. Omezuje vznik zubního kazu, ale je to chlorovaná látka, která se v přírodě hrozně špatně rozkládá. A jak se v odborné literatuře začaly objevovat informace o jeho nepříznivých účincích, výrobci na to začali reagovat, momentálně ho často nahrazují chlorhexidinem, běžný je i v ústních vodách. Také se špatně rozkládá, ale z testů vychází, že není tak silný endokrinní disruptor. Nějaké účinky však má i on a zatím nevíme přesně, kde a jak působí. Jako endokrinní disruptory fungují ale i další látky používané například v ústní hygieně, a dokonce i mentol, i když tak slabě, že by se jím člověk zřejmě dříve otrávil, než by se stihl účinek výrazněji projevit.¹⁾

Proč výrobci mění složení ještě před zákazem? Preventivně, aby byli na budoucí zákaz připraveni, nebo je tlačí spotřebitelé? — To je různé. Před pár lety jsme udělali zajímavou zkušenost s bromovanými zhášeči hoření, což je obzvlášť šílená skupina mikropolutantů. Původně se myslelo, že se v životním prostředí nebudou šířit, ale ta představa byla zcela nesmyslná. Dnes se nacházejí i v Antarktidě. Používají se v obrovském množství naprosto všude. Přidávají se do elektroniky, do textilií, do nábytku, do molitanu, do polystyrenu… V elektrických rozvodech bych to chápal, tam je nebezpečí požáru vysoké, ale proč mají být v matraci nebo v koberci?

Prof. RNDr. Tomáš Cajthaml, Ph.D. (*1975)
Vystudoval analytickou chemii a krajinnou a aplikovanou ekologii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy. Je ředitelem Ústavu pro životní prostředí téže fakulty, působí i v Laboratoři environmentální biotechnologie Mikrobiologického ústavu AV ČR. Zabývá se ekotoxicitou organických polutantů a možnostmi jejich mikrobiálního rozkladu. Studuje populace bakterií a hub v interakci s kontaminujícími látkami, na bioremediacích spolupracuje s řadou dekontaminačních firem.Snímek Stanislav Vaněk, Pentax K-1II

I hořlavá matrace nebo koberec může usnadnit šíření požáru, ne? — Ono se ale ukazuje, že zhášeče chrání hlavně majetek, nikoli životy. Na to jsou studie. Lidí při požárech uhoří poměrně málo, mnohem víc se jich udusí. Včetně hasičů. I kvůli zhášečům, protože předměty jimi ošetřené sice nehoří plamenem, ale o to víc dýmají. I hasiči už protestovali proti nadměrnému používání těchto látek.

Mluvili jsme o nich v kontextu chování výrobců… — Zjistili jsme, že jedna čínská firma dopovala stejný výrobek jinou směsí bromovaných zhášečů hoření pro americký trh a jinou pro Evropu. Přestože legislativa to nijak neupravuje. Připadá mi, že se připravují na budoucí soudní spory a berou při tom v úvahu rozdíly v kontinentálním a americkém právu. Takže věřím, že se výrobci dopředu připravují na budoucí problémy.

Nestává se, že výrobci sice opustí jednu látku, o níž se začíná tušit, že by s ní mohl být problém, ale nahradí ji jinou, která se liší pouze tím, že její negativní účinky zatím nejsou tak známé? Zmínil jste případ bisfenolu A… — No jasně, bisfenol A je typická ukázka. Informovaní zákazníci si za drahé peníze kupují výrobky s nápisem „BPA Free“, v nichž je bisfenol A nahrazen jinými látkami, které jsou také problematické. Před pár lety publikovaná studie například ukázala, že BPA Free láhve vykazují stejnou estrogenitu jako ty s BPA. A láhve pro malé děti nesmí BPA obsahovat ze zákona, přesto na ně výrobci tu nálepku dávají, funguje to jako reklama. Je to stejné jako nápisy „GMO free“ na potravinách z plodin, které se geneticky vůbec neupravují.

Dá se vůbec spolehlivě zjistit, zda nějaká látka působí jako endokrinní disruptor, jak se rozkládá, jak se šíří…? — Úplně detailně to nezjistíte nikdy. Hormonální aktivita se ale změřit dá, my používáme např. pro měření aktivit látek narušujících pohlavní hormony dvě metody. První pracuje s rekombinantními kvasinkami, které na sobě mají lidský receptor pro estrogen nebo androgen. Když se potkají s látkou, která se na tyto receptory váže, kvasinka ve fluorescenčním spektrometru zasvítí. Druhá metoda využívá lidské rakovinné buňky citlivé na estrogeny. Při setkání s nimi produkují cytokiny, které pak měříme. Z vědecké literatury je u spousty látek jasné, že jsou nějakým způsobem problematické, ale než se toto poznání promění v regulaci nebo zákaz, trvá to léta. Je otázka, jestli je správně nastaven REACH.²⁾ Proč se netestují endokrinní aktivity, ačkoliv jsou na to relativně standardizované testy?

Vy jste endokrinní aktivitu odhalili i u některých léků, že? — Ano, byl to mimochodem článek, který nám vzali až asi ve čtvrtém časopise, ačkoli jsme to prokázali dvěma testy. Myslím, že se to redakce bály publikovat. Řekli jsme si, že nemá cenu sledovat potenciální endokrinní působení u něčeho, co je naprosto minoritní. Tak jsme si vybrali nejpoužívanější nesteroidní protizánětlivá léčiva, jako je Ibuprofen, Diclofenac a několik dalších látek. A ty jsme otestovali. Jak lidské buňky, tak rekombinantní kvasinky nám řekly, že jsou to endokrinní disruptory. Prokázali jsme, že se vážou na receptory pro lidské androgeny a estrogeny a blokují je.³⁾

Vypadá to na nekonečný příběh. Lidstvo potřebuje příliš mnoho látek, a když jeden problém vyřešíme, další dva vytvoříme. — V druhé polovině 20. století byla v módě chlorová chemie a všechno se chlorovalo. Postupně se ty látky začaly zakazovat, jako první DDT. Polychlorované bifenyly i chlorované pesticidy jsou dnes na seznamu Stockholmské úmluvy o perzistentních organických polutantech a nesmějí se používat. A tak se místo toho bromuje a fluoruje. Předpoklad byl, že brom je tak velký substituent, že látka nebude rozpustná ve vodě, takže nebude toxická, navíc se nebude šířit, protože má velké molekulové hmotnosti a malé tenze par. Jenomže každá látka se šíří, i tyto samozřejmě doputovaly do Antarktidy. Když se ukázala nebezpečnost bromovaných bifenylů, nahradily je bromované difenylétery – mezi dvě benzenová jádra se dal jeden kyslík. Postupem času se i několik z nich zakázalo, teď se vyrábějí jiné obskurní bromované struktury jako zmíněné zhášeče hoření. Hexabromcyklododekan už byl zakázán. A takhle je to pořád. Výrobci molekuly trochu pozmění a jede se dál.

A vzhledem k obtížné rozložitelnosti těchto látek se s nimi budou potýkat i příští generace. — Je to chronický problém. Dnes všichni rádi používáme pánve s nepřilnavým povrchem, oblečení s funkčními membránami a podobné fluorované materiály, které se samozřejmě postupem času mění v odpad. A následně zjišťujeme, že se fluorované látky vyskytují ve vodách, nerozkládají se a jsou toxické. Máme strašně moc výrobků a materiálů, do nichž jsme přidali nejrůznější látky, které jsme později zakázali. Ale ty materiály už existují. Nyní se snažíme recyklovat plasty a zjišťujeme, že v plastech vyrobených před patnácti lety jsou dnes zakázané látky. Tak snižujeme normy a nevládní organizace následně s hrůzou zjišťují, že v hračce pro děti je obrovské množství problematických látek, protože je vyrobena z recyklovaného materiálu.

Zabýváte se i problematikou mikroplastů. Ty se obtížně rozkládají, ale představují i nějaké riziko pro životní prostředí a lidské zdraví? — Často se tvrdí, že nejsou toxické, že jsou to velké částice, které snadno projdou zažívacím traktem. Jenomže se ukázalo, že v životním prostředí jsou i plastové nanočástice, a ty se nám mohou zvesela šířit tělem.⁴⁾ V poslední době se objevují studie ukazující na jejich toxicitu. Způsobují zánětlivé procesy a oxidativní stres, to jsou procesy, které mohou v nejhorším případě vést až ke kancerogenezi. Navíc jsou to nepřirozené hydrofobní materiály, které mají tendenci z chemických koktejlů v prostředí adsorbovat nejrůznější toxické látky, které lidstvo produkuje. Studujeme, nakolik jsou nanoplasty schopny nachytávat na sebe organické polutanty, a zjišťujeme, že víc, než se čekalo. Koncentrované toxické látky nám donesou přímo k buňkám. Složitě se to modeluje, ale pokud se pak ty látky v blízkosti buněk uvolní, může to být problém. Takže to není tak jednoduché, jak se nám mnozí snaží namluvit.

Jedním z trendů medicínského výzkumu je cílená doprava léčiv do buněk, tady si tedy vyrábíme prostředky pro cílenou dopravu škodlivin? — To je přesná paralela. Přímo k buňkám si dopravujeme nejrůznější látky, které jsme třeba i dávno v minulosti vyrobili. Česká populace je dodnes jednou z nejkontaminovanějších polychlorovanými bifenyly, které jsou u nás zakázány od roku 1984. Měřeno v mateřském mléce.

Jak si v praxi představit remediační postupy, jimiž se zabýváte? — Věnujeme se remediacím pomocí bakterií a hub, v posledních letech i nanoremediacím, což jsou fyzikálně-chemické metody využívající nanomateriály. Ale i u nich lze najít výhodné interakce s mikroorganismy, fungují pak lépe. Je to hrozně široký obor, protože je hodně různých kombinací znečištění. V přírodě, na černé skládce, v brownfieldu nebo v kontaminované zóně nikdy není jen jedna látka, vždy je to nějaká směs. A nemá smysl vynakládat peníze na odstranění jedné z nich, pokud se nevyčistí i ostatní. Kromě toho se znečištění vyskytuje v mnoha různých prostředích. Povrchová půda je například něco úplně jiného než půda pod hladinou podzemní vody. Žijí tam jiné organismy, je tam jiné chemické i fyzikální prostředí…

Tomáš Cajthaml s kolegy zjistili, že jako endokrinní disruptory fungují i některá z nejčastěji užívaných léčiv, například Ibuprofen.Snímek Stanislav Vaněk, Pentax K-1II

Jednotlivé látky asi navíc interagují mezi sebou. — To je velká otázka k výzkumu. Aditivní toxicita není úplně dobře zpracována, modely jsou nedokonalé. Narážíme také na nedostatek analytické chemie – neumíme snadno měřit výskyt neznámých látek. Umíme dobře měřit jenom to, o čem si předem řekneme, že měřit chceme. Takže si nemůžeme být jisti, že jsme postihli vše, co tam je. Celý systém navíc vykazuje vlastnosti, které je obtížné předvídat. Sledovali jsme například hormonální aktivitu ve vzorcích odpadních a přečištěných vod. A naměřená aktivita byla nižší, než jsme předpokládali z analytiky. Zjistili jsme, že ve vzorcích jsou další látky, které aktivitu hormonálních disruptorů při testu blokují, a tím je vlastně dočasně maskují.

Znečištění se likviduje přímo na místě, nebo je třeba kontaminovaný materiál odvézt? — Obojí. Metody se podle toho dělí na in situ a ex situ. In situ metody jsou mnohem lacinější. A základní faktor určující volbu sanační metody jsou peníze. My bychom uměli vyčistit a dekontaminovat kdeco, ale cena by byla nepřiměřeně vysoká. In situ metody však obvykle nebývají tak spolehlivé. Když kontaminovaný materiál odvezete na nějakou dekontaminační plochu nebo ho zavřete do reaktoru, máte kontrolované podmínky, kdežto v místě znečištění to je vždycky trochu black box. Biologické metody obecně bývají lacinější než fyzikálně-chemické, pokud ovšem fungují.

Při bioremediacích in situ se využívá přirozené společenství mikroorganismů přítomné na dané lokalitě, nebo je třeba dodat speciální „pracovníky“? — Opět obojí. Mluvíme o stimulačních a augmentačních metodách. Stimulačními metodami pouze podporujeme mikroorganismy, které v místě přirozeně žijí.

Nakrmíte je? — Nakrmíme je, nebo podpoříme něčím, co jim chybí. Protože kdyby jim nic nechybělo, už by příslušné látky dávno rozložily, pokud tu schopnost mají. To je samozřejmě ta jednodušší a lacinější možnost. Místní organismy jsou adaptované na své prostředí, které bývá často zamořeno i dalšími látkami. Stimulační metody většinou fungují dobře na jednodušší typy znečištění. Na ropné látky, jednoduché pesticidy… V složitějších situacích je třeba sáhnout k augmentačním metodám a přidat cizí kultury. Takto často pracují i sanační firmy. Mají vlastní sbírku mikroorganismů, které izolovaly z jiných kontaminovaných míst, a když je třeba, namnoží je a využijí při sanaci jiné lokality. Tedy pokud se vůbec bioremediace dá použít. Někdy musí nastoupit fyzikálně-chemické metody, založené často na termickém zpracování. Nejhorší polutanty, jako jsou dioxiny, se dají v podstatě jenom spálit.

Řadu polutantů vnesla do přírody až průmyslová éra. Takže mikroorganismy neměly důvod naučit se je zpracovávat. — Ale chemické znečištění evoluci urychluje. Třeba na polychlorované bifenyly, s nimiž se příroda nikdy před průmyslovou érou nesetkala, se některé bakterie adaptovaly a mají unikátní metabolické dráhy pro jejich rozklad. Ale lidstvo je samozřejmě ještě mnohem rychlejší a stále produkuje nové a složitější látky, které se rozkládají ještě hůře.

V jaké míře se výsledky vašeho výzkumu dostávají do praxe? — Z většiny našich biodegradačních studií žádná technologie nevznikne. Třeba kompostování nebo kombinace nanoželeza s přirozenou bakteriální dechlorační mikroflórou se v praxi začíná používat, ale většinou zůstane u základního výzkumu, protože aplikace by byla buď drahá, nebo by to nebylo dost účinné. Ale základní výzkum přináší strašně důležité informace umožňující odhadnout, zda se látka bude, nebo nebude v přírodě rozkládat. Nebo ukážeme, že přijde-li relativně neškodná látka do kontaktu s mikrobiální co se bude dále šířit životním prostředím. Nebo výsledný produkt zastaví biodegradaci výchozí látky. To je zřejmě důvod, proč se až na výjimky nerozkládají polychlorované bifenyly. Když se je bakterie pokoušejí degradovat, vznikají často chlorbenzoové kyseliny, které další degradaci inhibují. Zastaví expresi genů kódujících příslušné enzymy.

Jak funguje to nanoželezo ve spolupráci s bakteriemi? — Představte si noční můru sanačního inženýra: Se dvěma sanačními firmami jsme spolupracovali na lokalitě, kde byl v podzemní vodě šestimocný chrom po nějakém chromování spolu s chlorovanými etyleny. Ty představují typické znečištění pod každým okresním městem, používaly se v chemických čistírnách a v továrnách jako odmašťovadlo. Jsou nebezpečné, některé z nich karcinogenní. Mohou se obvykle docela snadno dechlorovat pomocí anaerobních bakterií. Jenomže je-li tam zároveň šestimocný chrom, prostředí má vysoký redox potenciál a nesplňuje podmínky vhodné pro anaerobní bakterie. Ukázali jsme, že nanoželezo rychle zredukuje chrom a umožní anaerobním bakteriím růst. Navíc další bakterie zoxidované železo recyklují – zpětně ho redukují, takže se tam krásně cyklí, anaerobní bakterie pak stačí nakrmit (v tomto případě syrovátkou) a krásně to funguje.⁵⁾

Takhle to zní docela jednoduše. — Však to jednoduché je. A je to právě příklad nepříliš plánovaného, ale v praxi užitečného výsledku základního výzkumu.

Zmínil jste kompostování, to mám spojeno spíše se zahrádkou než se sanací kontaminovaných lokalit. — Je to úplně stejné jako kompostování využívané ke zpracování bioodpadu, jenom se k substrátu přimíchá kontaminovaný materiál. Publikovali jsme velmi slibné výsledky jako jedni z prvních už někdy v roce 2005.⁶⁾ Je to metoda založená na využití přirozeného společenství bakterií a hub. Kompost je mikrobiologické muzeum, žije v něm obrovské množství druhů, které se mezi sebou liší mimo jiné jinými nároky na teplotu, takže jak se kompost svou vlastní aktivitou zahřívá, probíhá v něm mikrobiální sukcese. Populace se výrazně proměňují. A to by v tom byl čert, aby se mezi nimi nenašly takové, které nějaký z polutantů dovedou rozkládat. Kompostování funguje výborně na polycyklické aromatické uhlovodíky, které jinak patří do skupiny tzv. perzistentních organických polutantů a jen tak se nerozkládají. Ale ověřili jsme jeho účinnost i pro nové typy mikropolutantů – léčiva a látky v produktech denní spotřeby, jako jsou zubní pasty nebo kosmetika.

Nenabízí se využití metod genového inženýrství? — Výzkum tímto směrem ve světě probíhá, ale pokud vím, nikde se výsledné produkty nesmějí používat. Má to samozřejmě řadu potenciálních výhod, protože přirozené mikroorganismy zpravidla nemají úplné metabolické dráhy potřebné pro rozklad polutantů. Teoreticky by bylo možno připravit superbakterii, která by příslušnou látku rozkládala kompletně. Ale GM bakterie nebývají moc stabilní. Na konferencích jsem viděl výsledky lidí, kteří půl roku připravovali nějaký konstrukt, který jim potom vydržel fungovat v laboratoři den. A laboratoř navíc není reálné prostředí. Nám v laboratorních podmínkách funguje spousta mikroorganismů, ale když je vyzkoušíme venku, kde není stabilních 25 °C a optimální vlhkost, podmínky se mění a je tam přirozená mikroflóra, s níž náš organismus musí soutěžit, výsledky jsou mnohem horší. Kdybychom to ještě zkomplikovali a vytvořili umělý organismus, jeho šance by byly ještě menší. Metody molekulární biologie používáme, abychom odhalili přítomnost nějakého degradačního genu v prostředí a abychom zjistili, jaké mikroorganismy se kde vyskytují, takže sekvenujeme jejich DNA, ale nemanipulujeme s ní.

Z povídání s vámi mám pocit, že patříte spíše k opatrnějším vědcům, kteří jsou v duchu principu předběžné opatrnosti spíše pro přísnější regulace i tam, kde dosud nemáme dost poznatků. — Protože to není nikdy tak černobílé, jak se nám po prvním výsledku zdá. Ale nepřesvědčíme veřejnost ani zákonodárce, že najednou musíme změnit sto věcí. Když volič netuší, že bromovaný zhášeč hoření vůbec existuje, těžko ho přesvědčíte, že by se jeho nadužívání měl bránit. Musíme si pomocí vybádaných dat určit priority. Ekologičtí aktivisté dělají záslužnou práci, protože ukazují na problémy jako první. Většinou s nimi souhlasím. Ale často chtějí změnit všechno najednou, a to bohužel v dnešní společnosti nejde.

Jaké priority tedy vidíte? — V první řadě by se ty látky měly v životním prostředí detekovat, což se příliš neřeší, a to v celoevropském kontextu. V odborné literatuře máme dostatek dat, z nichž vidíme, že se léčiva a látky z produktů denní spotřeby šíří životním prostředím, vědci na to poukazují desítky let, zmíněný triclosan je dobrý příklad. Řada těchto látek prochází čistírnou odpadních vod, příliš se nerozkládají. Část odejde do povrchových vod, ale větší část se nasorbuje v kalu, který se potom vyváží na pole jako hnojivo a vrací se do oběhu. Kdyby se kal vždy kompostoval, velkého množství těchto látek bychom se zbavili. Řada látek se nadužívá, jako zmíněné bromované zhášeče hoření. Jejich výrobu a používání bychom měli výrazně omezit, obejdeme se často bez nich.