Organizmy, które są w stanie trawić plastik, mogłyby w dużej mierze rozwiązać problem zanieczyszczenia plastikowymi odpadami. Znaleziono już kilka mikroorganizmów, które to potrafią, ale enzymy, które to umożliwiają zwykle działają tylko w temperaturach powyżej 30 stopni Celsjusza. Przy użyciu na skalę przemysłową oznaczałoby to wysokie koszty, związane z dużym zużyciem energii do ogrzewania oraz dodatkową emisję dwutlenku węgla.

Rozwiązaniem problemu byłoby odkrycie przystosowanych do zimna drobnoustrojów, których enzymy działają ma tworzywa sztuczne także w niższych temperaturach.

Pracujący obecnie w Szwajcarskim Instytucie Federalnym WSL dr Joel Rüthi i jego współpracownicy szukali takich właśnie mikroorganizmów w górnych partiach Alp oraz w regionach polarnych. Pobrali próbki 19 szczepów bakterii i 15 grzybów, które pojawiły się na Grenlandii, Svalbardzie i w Szwajcarii na swobodnie leżącym lub celowo zakopanym w ziemi na rok plastiku. Próbki ze Szwajcarii zostały zebrane na szczycie Muot da Barba Peider (2979 m nad poziomem morza) oraz w dolinie Val Lavirun, w obu przypadkach w kantonie Graubünden.

W laboratorium naukowcy pozwolili wyizolowanym drobnoustrojom rosnąć jako kultury pojedynczego szczepu w ciemności, w temperaturze 15 st. C, a następnie wykorzystali techniki molekularne do ich identyfikacji. Jak się okazało, szczepy bakterii należały do 13 rodzajów z gromad Actinobacteria i Proteobacteria, a grzybów do 10 rodzajów w gromadach Ascomycota i Mucoromycota.

Następnie wykorzystano zestaw testów do sprawdzenia każdego szczepu pod kątem jego zdolności do trawienia sterylnych próbek nieulegającego biodegradacji polietylenu (PE) i biodegradowalnego poliestru - poliuretanu (PUR), a także dwóch dostępnych na rynku biodegradowalnych mieszanin politereftalanu adypinianu butylenu (PBAT) i polimeru kwasu mlekowego (PLA).

„Pokazujemy, że nowe taksony drobnoustrojów uzyskane z „plastysfery” gleb alpejskich i arktycznych były w stanie rozkładać biodegradowalne tworzywa sztuczne w temperaturze 15 st. C” — powiedział dr Rüthi.

Żaden ze szczepów nie był w stanie strawić polietylenu, nawet po 126 dniach inkubacji na tych tworzywach, ale 19 (56 proc.) szczepów, w tym 11 grzybów i 8 bakterii potrafiło strawić PUR w temperaturze 15 st. C, zaś 14 grzybów i 3 bakterie były w stanie rozłożyć mieszaniny PBAT i PLA. Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) i test oparty na fluorescencji potwierdziły, że te szczepy były w stanie rozdrobnić polimery PBAT i PLA na mniejsze cząsteczki.

„Odkrycie, że duża część badanych szczepów była zdolna do degradacji co najmniej jednego z badanych tworzyw sztucznych było dla nas bardzo zaskakujące” – zaznaczył Rüthi.

Najlepiej radziły sobie dwa niescharakteryzowane gatunki grzybów z rodzajów Neodevriesia i Lachnellula: mogły strawić wszystkie badane tworzywa sztuczne z wyjątkiem PE. Ponadto okazało się, że dla większości szczepów zdolność do trawienia tworzyw sztucznych zależała od pożywki – każdy szczep reagował inaczej zależnie od zastosowania jednej z czterech użytych pożywek.

Ponieważ nowoczesne tworzywa sztuczne istnieją dopiero od lat 50. XX wieku, zdolność do rozkładania plastiku prawie na pewno nie była cechą promowaną przez dobór naturalny.

"Wykazano, że drobnoustroje wytwarzają szeroką gamę degradujących polimery enzymów zaangażowanych w rozkład ścian komórkowych roślin. W szczególności grzyby chorobotwórcze dla roślin często biodegradują poliestry ze względu na ich zdolność do wytwarzania kutynaz, ponieważ tworzywa te są podobne do polimeru roślinnego kutyny" – wyjaśnił dr Beat Frey z WSL.

Ponieważ dr Rüthi i jego zespół prowadzili testy tylko w temperaturze 15 st. C, nie znają jeszcze optymalnej temperatury działania enzymów dla poszczególnych szczepów.

„Wiemy jednak, że większość testowanych szczepów może dobrze rosnąć w temperaturze od 4 st. C do 20 st. C, z optymalną temperaturą około 15 st. C – powiedział Frey. - Kolejnym dużym wyzwaniem będzie identyfikacja enzymów rozkładających tworzywa sztuczne wytwarzanych przez szczepy drobnoustrojów i optymalizacja procesu w celu uzyskania dużych ilości białek. Ponadto może być potrzebna dalsza modyfikacja enzymów w celu optymalizacji właściwości takich jak stabilność białek".

Więcej w publikacji źródłowej: DOI: 10.3389/fmicb.2023.1178474 (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/