Океанские бактерии объединяются для разложения биоразлагаемого пластика

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) выяснили, какую роль играют различные виды бактерий из окружающей среды, потребляющие биоразлагаемый пластик

Биоразлагаемый пластик может помочь справиться с кризисом, вызванным пластиковыми отходами, которые загрязняют окружающую среду и наносят вред нашему здоровью. Однако до сих пор во многом остаётся неизвестным, сколько времени требуется для разложения пластика и как взаимодействуют друг с другом бактерии из окружающей среды, чтобы его разложить.

Понимание того, как микробы разлагают пластик, может помочь учёным создать более экологичные материалы и даже новые системы микробиологической переработки, которые превращают пластиковые отходы в полезные материалы.

Теперь исследователи из MIT сделали важный первый шаг к пониманию того, как бактерии взаимодействуют друг с другом для разложения пластика. В новой статье ^[1] исследователи раскрыли роль отдельных океанических бактерий в разложении широко используемого биоразлагаемого пластика. Они также продемонстрировали взаимодополняющие процессы, которые микробы используют для потребления пластика: один микроорганизм расщепляет пластик на составляющие его химические вещества, а другие потребляют каждое из этих веществ. Статья опубликована в журнале Environmental Science and Technology.

Исследователи отмечают, что это одна из первых работ, проливающих свет на роль конкретных видов бактерий в разложении пластика, и указывают, что скорость разложения может значительно варьироваться в зависимости от нескольких ключевых факторов.

«Существует много неопределённости относительно того, как долго эти материалы на самом деле сохраняются в окружающей среде, — говорит ведущий автор исследования Марк Фостер, аспирант совместной программы MIT и Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI). — Это показывает, что биологическое разложение пластика в значительной степени зависит от микробиологического сообщества, в которое попадает пластик. Оно также зависит от самого пластика — химического состава полимера и способа его производства. Понимание этих процессов важно, поскольку мы пытаемся ограничить срок пребывания этих материалов в окружающей среде».

Секреты сотрудничества

Учёные надеются, что биоразлагаемый пластик можно будет использовать для решения проблемы огромных объёмов пластиковых отходов, скапливающихся в наших океанах и на свалках.

«Более половины произведённого пластика либо отправляется на свалки, либо попадает непосредственно в окружающую среду, — говорит Фостер. — Но без знания особенностей различных процессов разложения мы не сможем точно предсказать срок службы этих материалов и более эффективно контролировать их разложение».

На сегодняшний день многие исследования по биоразложению пластика сосредоточены на отдельных микроорганизмах, но, по словам Фостера, это не отражает реальных процессов разложения большинства пластиков в природе.

«Очень редко одна бактерия осуществляет полный процесс разложения, поскольку для выполнения всех ферментативных функций, необходимых для деполимеризации полимера, а затем использования этих химических субъединиц в качестве источника углерода и энергии, требуется значительная метаболическая нагрузка», — говорит Фостер.

В других исследованиях предпринимались попытки зафиксировать молекулярные следы групп бактерий при разложении пластика, что даёт общий обзор вовлечённых видов, но не раскрывает механизмы их действия.

В рамках данного исследования учёные хотели выяснить роль конкретных видов бактерий в процессе полного разложения пластика. Они начали с биоразлагаемого пластика, известного как алифатический ароматический сополиэфир ^[2]. Такой пластик используется в производстве пакетов для покупок и упаковки продуктов питания. Им также часто укрывают почву фермеры для предотвращения роста сорняков и сохранения влаги.

В начале исследования специалисты компании BASF, производящей этот вид пластика, сначала поместили образцы продукта на разную глубину в Средиземном море, чтобы бактерии образовали вокруг пластика тонкую биоплёнку. Затем компания отправила образцы исследователям из MIT, которые выделили из них как можно больше видов бактерий. Исследователи смешали эти изоляты и выявили 30 видов бактерий, которые продолжали активно размножаться на пластике.

Используя углекислый газ в качестве показателя разложения пластика, исследователи выделили каждую бактерию и обнаружили одну — Pseudomonas pachastrellae, — которая могла деполимеризовать пластиковые соединения, разбивая их на три химических компонента: терефталевую кислоту, себациновую кислоту и бутандиол.

Однако эта бактерия не могла самостоятельно потреблять все три компонента. Исследователи поочерёдно подвергали каждую бактерию воздействию каждого химического вещества и не обнаружили ни одной бактерии, способной потреблять все три, хотя нашли некоторые виды, которые могли самостоятельно потреблять одно или два вещества.

В конце концов, исследователи отобрали пять видов бактерий, основываясь на их взаимодополняющих способностях к разложению, и показали, что эта небольшая группа демонстрирует такую же способность полностью разлагать пластик, как и бактериальное сообщество из 30 видов.

«Мне удалось свести процесс разложения к этому упрощённому набору конкретных метаболических функций, — говорит Фостер. — А когда я удалил одну бактерию, интенсивность минерализации снизилась, что свидетельствовало о том, что именно этот организм контролирует разложение полимера. Затем, когда я вырастил каждую из бактерий отдельно в культуре, ни одна из них не смогла достичь такого же уровня разложения, как все пять вместе, что указывало на необходимость взаимодополняющих функций. Это сработало гораздо лучше, чем я предполагал».

Исследователи также обнаружили, что сообщество из пяти видов бактерий не могло минерализовать другой вид пластика, что свидетельствует о том, что группы бактерий, возможно, способны минерализовать только определённые виды пластика.

«Это подчёркивает, что микробы, обитающие там, где оказывается этот пластик, будут определять срок его службы», — говорит Фостер.

Ускоренное разложение пластика

Фостер отмечает, что бактерии, участвовавшие в его исследовании, вероятно, специфичны для Средиземного моря. Кроме того, в исследовании участвовали только те бактерии, которые могли выжить в условиях его лаборатории. Тем не менее, Фостер говорит, что это одна из первых работ, в которой определены роли бактерий в потреблении пластика.

«В большинстве исследований не удаётся идентифицировать конкретные бактерии, контролирующие каждый из взаимодополняющих процессов минерализации, — говорит Фостер. — Здесь мы можем сказать, что эти бактерии контролируют разложение, а те — минерализацию, и затем мы показываем функции каждой из бактерий и демонстрируем, что вместе они способны удалить весь полимер».

Фостер отмечает, что эта работа является важным первым шагом на пути к созданию микробных систем, способных более эффективно разлагать пластик или преобразовывать его в полезные вещества. В рамках последующих исследований по своей докторской диссертации он изучает, какие комбинации бактерий позволяют ускорить разложение пластика, а также как ферменты связываются с частицами пластика, чтобы инициировать и поддерживать процесс разложения.

Исследование было поддержано Консорциумом по климату и устойчивому развитию Массачусетского технологического института (MIT Climate and Sustainability Consortium) и компанией BASF SE. Частичную финансовую поддержку оказала Программа стипендий для аспирантов Национального научного фонда США (U.S. National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program).