Пошук, культивування та біоінженерія організмів, які можуть перетравлювати пластик, не тільки допомагають видаляти забруднення, але тепер також є великим бізнесом. Кілька мікроорганізмів, які можуть це робити, вже знайдено, але коли їх ферменти, які роблять це можливим, застосовуються в промислових масштабах, вони зазвичай працюють лише при температурах вище 30 °C.
Необхідне опалення означає, що промислове застосування залишається дорогим на сьогодні й не є вуглецевим. Але є можливе розв’язання цієї проблеми: пошук спеціалізованих холодоадаптованих мікробів, чиї ферменти працюють при нижчих температурах. Вчені зі Швейцарського федерального інституту WSL знали, де шукати такі мікроорганізми: на великих висотах в Альпах своєї країни або в полярних регіонах. Їхні висновки опубліковані в Frontiers in Microbiology.
«Тут ми показуємо, що нові мікробні таксони, отримані з «пластисфери» альпійських і арктичних ґрунтів, здатні розщеплювати біологічно розкладаний пластик при 15°C», — сказав перший автор, доктор Джоель Рюті, який зараз є запрошеним науковцем WSL. «Ці організми можуть допомогти зменшити витрати та навантаження на навколишнє середовище ферментативного процесу перероблення пластику».
Рюті та його колеги взяли зразки 19 штамів бактерій і 15 грибів, що ростуть на вільно лежачому або навмисно закопаному пластику (зберігається в землі протягом одного року) у Гренландії, Шпіцбергені та Швейцарії. Більшість пластикового сміття зі Шпіцбергена було зібрано під час Швейцарського арктичного проєкту 2018, де студенти проводили польові роботи, щоб на власні очі побачити наслідки зміни клімату. Грунт зі Швейцарії було зібрано на вершині Muot da Barba Peider (2979 м) і в долині Val Lavirun, обидва в кантоні Граубюнден.
Вчені дозволили ізольованим мікробам рости як одноштамові культури в лабораторії в темряві та при 15 °C і використали молекулярні методи для їх ідентифікації. Результати показали, що штами бактерій належали до 13 родів у типах Actinobacteria та Proteobacteria, а гриби – до 10 родів у типах Ascomycota та Mucoromycota.
Дивовижні результати
Потім вони використали набір аналізів для скринінгу кожного штаму на його здатність перетравлювати стерильні зразки біонерозкладаного поліетилену (PE) і біорозкладаного поліефіру-поліуретану (PUR), а також дві комерційно доступні біорозкладані суміші полібутиленадипаттерефталату (PBAT). і полімолочної кислоти (PLA).
Жоден із штамів не зміг переварити ПЕ, навіть після 126 днів інкубації на цих пластиках. Але 19 (56%) штамів, включаючи 11 грибів і вісім бактерій, були здатні перетравлювати PUR при 15°C, тоді як 14 грибів і три бактерії були здатні перетравлювати пластикові суміші PBAT і PLA. Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) і аналіз на основі флуоресценції підтвердили, що ці штами здатні подрібнювати полімери PBAT і PLA на менші молекули.
«Для нас було дуже несподівано, що ми виявили, що велика частка протестованих штамів здатна руйнувати принаймні один із протестованих пластмас», — сказав Рюті.
Найкраще показали два неохарактеризовані види грибів із родів Neodevriesia та Lachnellula: вони змогли перетравлювати всі тестовані пластики, крім ПЕ. Результати також показали, що здатність перетравлювати пластик залежить від культурального середовища для більшості штамів, причому кожен штам по-різному реагує на кожне з чотирьох протестованих середовищ.
Побічний ефект здатності перетравлювати рослинні полімери
Як розвинулася здатність перетравлювати пластик? Оскільки пластик існує лише з 1950-х років, здатність розкладати пластик майже напевно не була рисою, на яку спочатку націлився природний відбір.
«Було показано, що мікроби виробляють широкий спектр ферментів, що руйнують полімери, які беруть участь у руйнуванні клітинних стінок рослин. Зокрема, часто повідомляють, що рослинно-патогенні гриби біологічно розкладають поліефіри через їх здатність виробляти кутінази, які націлені на пластик. полімерів через їхню схожість із рослинним полімером кутином», — пояснив останній автор доктор Біт Фрей, старший науковий співробітник і керівник групи WSL.
Виклики залишаються
Оскільки Rüthi та ін. перевірено лише на травлення при 15°C, вони ще не знають оптимальної температури, при якій працюють ферменти успішних штамів.
«Але ми знаємо, що більшість протестованих штамів можуть добре рости при температурі від 4°C до 20°C з оптимальною температурою близько 15°C», — сказав Фрей.
«Наступною великою проблемою буде ідентифікація ферментів, що розкладають пластик, які виробляються штамами мікробів, і оптимізація процесу для отримання великої кількості білків. Крім того, може знадобитися подальша модифікація ферментів для оптимізації таких властивостей, як стабільність білка.»
