Найдены микроорганизмы, способные переваривать пластик при низких температурах

Фото: Ник Фьюингс на Unsplash

Некоторые микроорганизмы производят ферменты, способные переваривать пластик, но для того, чтобы эти ферменты работали в промышленных масштабах, обычно требуется температура выше 30°C, а это дорого. Ученые из Швейцарского федерального института WSL обнаружили ряд штаммов бактерий и грибов, которые могут расщеплять некоторые биоразлагаемые пластмассы при гораздо более низких температурах. Собранные из почв на больших высотах в Швейцарских Альпах и в полярных регионах, эти типы адаптированных к холоду микроорганизмов могли бы сделать экономически эффективными ферментативные процессы переработки пластика в промышленных масштабах.

«Здесь мы показываем, что новые микробные таксоны, полученные из «пластисферы» альпийских и арктических почв, способны расщеплять биоразлагаемый пластик при 15°C», — сказал Джоэл Рути, доктор философии, в настоящее время приглашенный ученый в WSL. «Эти организмы могут помочь снизить затраты и нагрузку на окружающую среду, связанную с ферментативным процессом переработки пластика». Рути — первый автор статьи, опубликованной командой в журнале Frontiers in Microbiology под названием «Открытие разлагающих пластик микробных штаммов, выделенных из альпийской и арктической наземной пластисферы». В своей статье команда пришла к выводу: «Наши результаты показывают, что микроорганизмы из высокогорных и полярных регионов являются эффективными производителями ферментов, разлагающих пластик, и тем самым могут внести свой вклад в будущие усилия по созданию экологически чистой экономики замкнутого цикла использования пластика».

Ежегодное мировое производство пластика по-прежнему быстро растет, достигнув 367 мегатонн в 2020 году, пишут авторы. «Сохранение обычного пластика в окружающей среде, чрезмерное использование одноразового пластика и неправильное обращение с отходами создают серьезную экологическую проблему». Традиционные механические и химические подходы к повторному использованию и переработке имеют «некоторые существенные недостатки», продолжили исследователи. Альтернативные подходы к более устойчивой пластиковой экономике включают использование биологических и биоразлагаемых пластиков, а также «новые стратегии переработки с использованием микробных ферментов, разлагающих пластик», предложили они.

Поиск, культивирование и биоинженерия организмов, способных переваривать пластик и помогать бороться с загрязнением, теперь также является большим бизнесом. Но хотя уже обнаружено несколько микроорганизмов, способных на это, нагревание, необходимое для работы их ферментов, означает, что промышленное применение остается дорогостоящим и не является углеродно-нейтральным.

Одним из потенциальных решений является идентификация специализированных микробов, адаптированных к холоду, ферменты которых работают при более низких температурах. «Однако потенциал пластической деградации адаптированных к холоду микроорганизмов до сих пор редко изучался», — заявили ученые. Для своей работы Рюти и его коллеги взяли образцы 19 штаммов бактерий и 15 штаммов грибов, растущих на свободно лежащем или намеренно закопанном пластике (хранившемся в земле в течение одного года) в Гренландии, Шпицбергене и Швейцарии. Большая часть пластикового мусора со Шпицбергена была собрана во время Швейцарского арктического проекта 2018 года, когда студенты проводили полевые исследования, чтобы своими глазами увидеть последствия изменения климата. Почва из Швейцарии была собрана на вершине Муот-да-Барба-Пейдер (2979 м) и в долине Валь-Лавирун, оба в кантоне Граубюнден.

Ученые позволили изолированным микроорганизмам расти в виде одноштаммовых культур в лаборатории в темноте и при температуре 15°C и идентифицировали их с помощью молекулярных методов. Результаты показали, что штаммы бактерий принадлежали к 13 родам типов Actinobacteria и Proteobacteria, а штаммы грибов — к 10 родам типов Ascomycota и Mucoromycota.

Затем исследователи использовали набор анализов для проверки каждого штамма на его способность переваривать стерильные образцы небиоразлагаемого полиэтилена (PE) и биоразлагаемого полиэфира-полиуретана (PUR), а также двух коммерчески доступных биоразлагаемых смесей полибутиленадипаттерефталата (PBAT). ) и полимолочная кислота (PLA).

Ни один из микробных штаммов не смог переварить полиэтилен даже после 126 дней инкубации на этих пластиках. Но 19 (56%) штаммов, в том числе 11 грибов и восемь бактерий, были способны переваривать полиуретан при 15°C, а 14 грибов и три бактерии способны переваривать пластиковые смеси ПБАТ и ПЛА. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и анализы на основе флуоресценции подтвердили, что эти штаммы способны измельчать полимеры PBAT и PLA на более мелкие молекулы.