Grzyby zamiast chemii? Zaskakujący sposób na leki w ściekach

Badacze z Johns Hopkins pokazują, że popularne jadalne grzyby potrafią rozkładać resztki leków w osadach z oczyszczalni ścieków.

Ścieki po oczyszczaniu nie są sterylną wodą. Razem z nimi powstają osady bogate w materię organiczną, które później lądują na polach jako nawóz. W tych biosolids, jak mówią naukowcy, kryją się ślady antydepresantów i innych środków działających na mózg. Nowe badania sugerują bardzo nietypowe rozwiązanie: do pracy można zaprzęgnąć grzyby, które normalnie rozkładają drewno.

Dlaczego w osadach pościekowych lądują antydepresanty

Farmaceutyki zaprojektowano po to, by działały na ludzki układ nerwowy i długo utrzymywały się w organizmie. Po zakończeniu kuracji część tabletek trafia do toalety, a reszta leków opuszcza ciało z moczem i kałem. Konwencjonalne oczyszczalnie świetnie radzą sobie z bakteriami i metalami ciężkimi, ale dużo gorzej z takimi złożonymi związkami chemicznymi.

W efekcie w osadach ściekowych zostaje koktajl substancji psychoaktywnych. Ten materiał – bogaty w azot, fosfor i węgiel organiczny – rolnicy chętnie wykorzystują jako nawóz, bo poprawia strukturę gleby i ogranicza zużycie sztucznych nawozów. Pojawia się jednak pytanie, czy resztki farmaceutyków nie przedostają się do roślin, wód i organizmów zwierząt.

Przeczytaj również: ISS zbliża się do końca. Czy NASA zdąży z nową stacją orbitalną?

Farmaceutyki w śladowych dawkach mogą wpływać na zachowanie ludzi i zwierząt, a w środowisku utrzymują się długo, kumulując się w glebie i wodzie.

Część badań potwierdziła, że rośliny mogą wchłaniać niektóre leki z gleby nawożonej biosolids lub podlewanej oczyszczonymi ściekami. Nie ma jeszcze jednoznacznych dowodów, że te ilości realnie szkodzą konsumentom żywności, ale naukowcy nie chcą czekać, aż problem urośnie.

Grzyby białej zgnilizny: naturalne „zakłady chemiczne”

Zespół z Johns Hopkins skupił się na szczególnej grupie organizmów – grzybach białej zgnilizny drewna. To one odpowiadają za to, że kłody w lesie po latach znikają, zamieniając się w próchno. Potrafią rozkładać ligninę, bardzo odporny polimer budujący ściany komórkowe drzew.

Przeczytaj również: Astronomowie namierzyli dziesiątki gwiezdnych smug w Drodze Mlecznej

Te grzyby działają na swój sposób: zamiast „trawić” substancje wewnątrz komórek, wyrzucają do otoczenia koktajl enzymów. Te enzymy są mało wybredne – atakują różne złożone cząsteczki, nie tylko ligninę. Właśnie ta niespecyficzność okazała się kluczem.

Elastyczność enzymów grzybów białej zgnilizny sprawia, że potrafią rozkładać również skomplikowane cząsteczki leków związane z materią organiczną osadów.

Ostrygi z hodowli i „włochaty” klasyk z lasu

Naukowcy wybrali dwa bardzo znane gatunki:

Przeczytaj również: Egzotyczne imię Zia: krótkie, świetliste i pełne znaczeń

• Pleurotus ostreatus – boczniak ostrygowaty, popularny w sklepach i uprawach
• Trametes versicolor – wrośniak różnobarwny, potocznie nazywany „hubą ogonkiem indyka”

Oba gatunki są dobrze przebadane, łatwo dostępne i chętnie wykorzystywane w biotechnologii. Dzięki temu łatwiej wyobrazić sobie ich masowe użycie w infrastrukturze oczyszczalni.

Jak wyglądał eksperyment z biosolids

Do testów pobrano osady z miejskiej oczyszczalni ścieków. Badacze wzbogacili ten materiał dziewięcioma popularnymi lekami o działaniu psychoaktywnym. Wśród nich znalazły się między innymi antydepresanty, takie jak citalopram czy trazodon.

Na tak przygotowanym podłożu zaszczepiono wspomniane grzyby i pozostawiono je na maksymalnie 60 dni. Równolegle prowadzono drugi wariant eksperymentu – w płynnych pożywkach, bez obecności osadu. Dzięki temu można było porównać, jak grzyby zachowują się w „sterylnych” warunkach laboratoryjnych i w prawdziwym, złożonym materiale z oczyszczalni.

Zespół regularnie pobierał próbki i za pomocą zaawansowanej spektrometrii mas śledził stężenia leków, a także powstające produkty rozpadu. To kluczowe: ważne jest nie tylko to, że substancja „znika”, ale też w co się zmienia.

Efekt: nawet prawie całkowite usunięcie niektórych leków

Oba gatunki grzybów poradziły sobie z zadaniem zaskakująco dobrze. Każdy z nich rozłożył osiem z dziewięciu testowanych farmaceutyków. Skuteczność mieściła się zwykle między 50% a niemal stuprocentową eliminacją w ciągu dwóch miesięcy.

Boczniak w wielu przypadkach usuwał ponad 90% stężenia wybranych antydepresantów z osadów ściekowych.

Analizy chemiczne pokazały, że leki nie są po prostu „uwięzione” w grzybni. Dochodzi do realnych reakcji chemicznych: cząsteczki rozpadają się na mniejsze fragmenty, często z udziałem tlenu. Tego typu reakcje są dobrze znane z badań nad enzymami grzybów białej zgnilizny.

Naukowcy zidentyfikowali ponad 40 różnych produktów transformacji. Aby ocenić, czy są mniej toksyczne, wykorzystali narzędzie EPA do oceny zagrożenia chemicznego. Symulacje wskazały, że większość powstałych związków wykazuje niższą toksyczność niż leki wyjściowe. To istotne, bo zmniejsza ryzyko „zamiany jednego problemu na drugi”.

Mykoaugmentacja – nowe słowo w zarządzaniu osadami ściekowymi

Badacze określają proponowane podejście jako mykoaugmentacja – czyli celowe wprowadzanie grzybów do zanieczyszczonego materiału, aby przyspieszyć rozkład niechcianych substancji. W odróżnieniu od wielu technologii chemicznych czy fizycznych mówimy tu o organizmach, które naturalnie występują w środowisku.

• Niskie zapotrzebowanie na energię – grzyby rosną bez potrzeby ogrzewania czy wysokiego ciśnienia.
• Brak kosztownych reagentów – nie trzeba dodawać drogich środków chemicznych.
• Możliwość integracji z istniejącą infrastrukturą – grzybnia może rozwijać się na już wytwarzanych osadach.
• Naturalne pochodzenie organizmów – wykorzystuje się gatunki szeroko rozpowszechnione w przyrodzie.

Dla oczyszczalni ścieków oznacza to szansę na dodatkowy etap „doprawiania” osadów, zanim trafią na pola. Taka instalacja mogłaby przyjmować biosolids, zaszczepiać je odpowiednim gatunkiem grzyba, a następnie przez kilkadziesiąt dni prowadzić proces w kontrolowanych warunkach.

Realne środowisko ważniejsze niż próbówka

Ciekawym wnioskiem z badań okazało się porównanie doświadczeń w płynie i w osadach. W części przypadków leki znikały szybciej właśnie w realnym materiale z oczyszczalni niż w idealnych, laboratoryjnych pożywkach. Pokazuje to, że sama obserwacja zachowania grzybów w butelce nie zawsze dobrze przewiduje ich możliwości w bardziej złożonym środowisku.

Badanie na prawdziwych osadach ściekowych daje bardziej wiarygodny obraz tego, jak grzyby poradzą sobie w praktycznych instalacjach.

Co to oznacza dla ludzi i środowiska

Farmaceutyki projektuje się tak, by celowały w konkretne receptory w ludzkim mózgu. W przypadku ryb, bezkręgowców czy ptaków te same mechanizmy mogą odpowiadać za zaburzenia zachowania, zmiany w reprodukcji czy zwiększoną podatność na stres. Dodatkowo trwałe związki mają tendencję do kumulowania się w środowisku.

Jeśli więc grzyby pozwalają usunąć znaczną część tych substancji zanim trafią one na pola, można ograniczyć długoterminowe oddziaływanie leków na ekosystem. To ważne także dla konsumentów, bo zmniejsza się szansa, że śladowe dawki antydepresantów czy leków przeciwlękowych powędrują do naszego talerza wraz z warzywami.

Dla miast i gmin pojawia się jeszcze inny aspekt: społeczna akceptacja stosowania biosolids w rolnictwie. Dyskusje wokół takiego nawożenia często wracają, a argument o obecności leków jest jednym z najczęściej używanych. Jeżeli oczyszczalnia wykaże, że stosuje biologiczne procesy redukujące te substancje, łatwiej będzie przekonać mieszkańców do takiej praktyki.

Co dalej: wyzwania i możliwości dla oczyszczalni

Droga od obiecującego eksperymentu do codziennej praktyki jest długa. Trzeba sprawdzić, jak grzyby zachowują się przy dużej skali, w zmiennych warunkach temperatury i wilgotności, z różnymi typami osadów. Kolejne pytanie dotyczy czasu: 60 dni to w realiach oczyszczalni dość długi etap, więc inżynierowie będą szukać sposobów na przyspieszenie procesów, na przykład przez optymalizację napowietrzania lub składu podłoża.

Przydatne będzie też lepsze poznanie enzymów stojących za tymi reakcjami. Jeśli uda się wyizolować najbardziej aktywne białka lub stworzyć grzybowe „koktajle enzymatyczne”, część procesu można będzie prowadzić nawet bez żywych organizmów, w bardziej kontrolowany sposób.

Dla przeciętnego odbiorcy ta historia ma jeszcze jeden ciekawy wymiar: pokazuje, że zwykłe, trochę niepozorne grzyby z lasu czy sklepu kryją w sobie ogromny potencjał technologiczny. Ten sam boczniak, który ląduje na patelni, w laboratorium zamienia się w małą, żywą fabrykę zdolną do rozbrajania skomplikowanych cząsteczek leków. To dobry przykład, jak rozwiązania problemów środowiskowych można znaleźć bardzo blisko – w organizmach, które od milionów lat radzą sobie z rozkładaniem trudnych substancji w naturze.