Поиск, культивирование и биоинженерия организмов, способных переваривать пластик, не только помогает в устранении загрязнения, но и в настоящее время является крупным бизнесом. Уже обнаружено несколько микроорганизмов, которые могут это делать, но когда их ферменты, делающие это возможным, применяются в промышленных масштабах, они обычно работают только при температурах выше 30°C.
Необходимый нагрев означает, что промышленное применение на сегодняшний день остается дорогостоящим и не является углеродно-нейтральным. Но есть возможное решение этой проблемы: найти специализированных микробов, адаптированных к холоду, чьи ферменты работают при более низких температурах.
Ученые из Швейцарского федерального института WSL знали, где искать такие микроорганизмы: на больших высотах в Альпах их страны или в полярных регионах. Их результаты опубликованы в журнале Frontiers in Microbiology.
«Здесь мы показываем, что новые таксоны микроорганизмов, полученные из «пластисферы» альпийских и арктических почв, способны расщеплять биоразлагаемые пластики при температуре 15 °C», — сказал первый автор доктор Джоэл Рути, в настоящее время приглашенный ученый WSL. «Эти организмы могли бы помочь снизить затраты и нагрузку на окружающую среду, связанные с ферментативным процессом переработки пластика».
Рюти и его коллеги взяли образцы 19 штаммов бактерий и 15 грибов, растущих на свободно лежащем или намеренно закопанном пластике (хранящемся в земле в течение одного года) в Гренландии, Шпицбергене и Швейцарии. Большая часть пластикового мусора со Шпицбергена была собрана в ходе Швейцарского арктического проекта 2018, где студенты проводили полевые работы, 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, обе в кантоне Граубюнден.
Ученые позволили изолированным микробам вырасти в виде культур одного штамма в лаборатории в темноте и при температуре 15°C и использовали молекулярные методы для их идентификации. Результаты показали, что штаммы бактерий принадлежали к 13 родам в типах Actinobacteria и Proteobacteria, а грибы — к 10 родам в типах Ascomycota и Mucoromycota.
Удивительные результаты
Затем они использовали набор анализов для скрининга каждого штамма на его способность переваривать стерильные образцы небиоразлагаемого полиэтилена (PE) и биоразлагаемого полиэфир-полиуретана (PUR), а также две коммерчески доступные биоразлагаемые смеси полибутиленадипаттерефталата (PBAT) и полимолочной кислоты (PLA).
Ни один из штаммов не был способен переваривать полиэтилен даже после 126 дней инкубации на этих пластмассах. Но 19 (56%) штаммов, включая 11 грибов и восемь бактерий, были способны переваривать PUR при температуре 15°C, в то время как 14 грибов и три бактерии были способны переваривать пластиковые смеси PBAT и PLA. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и анализ на основе флуоресценции подтвердили, что эти штаммы способны расщеплять полимеры PBAT и PLA на более мелкие молекулы.
«Для нас было очень удивительно, что мы обнаружили, что большая часть протестированных штаммов способна разлагать по крайней мере один из протестированных пластмасс», — сказал Рути.
Лучшими оказались два нехарактерных вида грибов из родов Neodevriesia и Lachnellula: они были способны переваривать все протестированные пластмассы, кроме полиэтилена. Результаты также показали, что способность переваривать пластик зависела от питательной среды для большинства штаммов, причем каждый штамм по-разному реагировал на каждую из четырех протестированных сред.
Побочный эффект способности переваривать растительные полимеры
Как эволюционировала способность переваривать пластик? Поскольку пластмассы появились только в 1950-х годах, способность разлагать пластик почти наверняка не была признаком, изначально выбранным естественным отбором.
«Было показано, что микробы продуцируют широкий спектр ферментов, разрушающих полимеры, участвующих в разрушении клеточных стенок растений. В частности, часто сообщается, что фитопатогенные грибы способны к биологическому разложению полиэфиров из-за их способности продуцировать кутиназы, которые нацелены на пластиковые полимеры из-за их сходства с растительным полимером кутином», — объяснил последний автор доктор Беат Фрей, старший научный сотрудник и руководитель группы в WSL.
Проблемы остаются
Поскольку Рот и др. они тестируются только на переваривание при температуре 15°C, но вы не знаете оптимальной температуры, при которой работают ферменты успешных штаммов.
«Но мы знаем, что большинство протестированных штаммов могут хорошо расти при температуре от 4 °C до 20 °C при оптимальной температуре около 15 ° C», — сказал Фрей.
«Следующей серьезной задачей будет идентификация ферментов, разрушающих пластик, вырабатываемых штаммами микроорганизмов, и оптимизация процесса для получения большого количества белков. Кроме того, может потребоваться дальнейшая модификация ферментов для оптимизации таких свойств, как стабильность белка».