Как бактерии могут произвести революцию в очистке пластиковых отходов

Поскольку в мире производится более 7 миллиардов тонн пластиковых отходов, а перерабатывается менее 10%, поиск устойчивых решений по борьбе с пластиковым загрязнением является неотложным. Миллионы тонн этих отходов либо накапливаются в окружающей среде, либо перевозятся по всему миру, только чтобы быть сожженными или захороненными, что приводит к ежегодным экономическим потерям в размере 80-120 миллиардов долларов из-за неэффективной сортировки и переработки отходов пластиковой упаковки, по оценкам Программы ООН по окружающей среде. Однако прорыв исследователей из Северо-Западного университета может дать новую надежду на решение этой растущей проблемы.

Группа под руководством Людмилы Аристилде, доцента кафедры гражданского и экологического строительства в Северо-Западном университете, определила, как распространенная бактерия Comamonas testosteroni может преобразовывать пластиковые отходы в потенциальный источник пищи. Бактерия, часть семейства Comamonadaceae, часто встречается на пластике в городских реках и системах сточных вод. Ключ к ее успеху заключается в уникальной последовательности этапов разложения пластика: сначала бактерия разбивает пластик на более мелкие фрагменты, известные как нанопластик. Затем она выделяет специализированный фермент для дальнейшего разложения этих фрагментов на более простые компоненты, которые она затем потребляет в качестве источника питательных веществ.

«Удивительно, что одна бактерия может выполнять весь этот процесс. Мы определили ключевой фермент, отвечающий за расщепление пластикового материала, который можно оптимизировать и использовать для устранения пластика из окружающей среды», — сказал Аристилде. Исследование, недавно опубликованное в журнале Environmental Science & Technology, открывает новые возможности для использования инженерных решений на основе бактерий для управления пластиковыми отходами, которые загрязняют водные системы и угрожают дикой природе.

Исследование распада ПЭТ-пластика

Исследование Аристилды основано на предыдущих исследованиях ее команды, в которых изучалось, как C. testosteroni метаболизирует углеродные соединения из растений и разложения пластика. В этой новой работе основное внимание уделялось взаимодействию C. testosteroni с полиэтилентерефталатом (ПЭТ) — прочным пластиком, широко используемым в упаковке пищевых продуктов и бутылках для напитков. ПЭТ является основным источником глобального загрязнения пластиком, составляя примерно 12% от общего использования пластика и до 50% микропластика, обнаруженного в сточных водах.

Чтобы понять, как C. testosteroni взаимодействует с ПЭТ, команда провела ряд лабораторных экспериментов. Они выращивали бактерии на пленках и гранулах ПЭТ, используя расширенную микроскопию для отслеживания изменений на поверхности пластика с течением времени. Они также проанализировали окружающую воду на наличие наноразмерных пластиковых частиц и изучили внутреннюю структуру бактерий, чтобы идентифицировать ферменты, участвующие в процессе деградации.

Ключевой фермент открыт

Результаты показали, что при воздействии ПЭТ C. testosteroni вырабатывает специфический фермент, который играет решающую роль в разрушении пластика. Сотрудники Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннесси дополнительно проверили роль фермента, создав штаммы бактерий, не способных его вырабатывать. Результаты были поразительными — без этого фермента бактерии утратили большую часть своих возможностей по разложению пластика. «Это говорит о том, что этот фермент необходим для разрушения пластика», — объяснила Аристилде.

Последствия для сточных вод и здоровья окружающей среды

Открытие может иметь значительные последствия не только для очистки окружающей среды, но и для понимания поведения пластика в системах сточных вод. Аристилде отмечает, что сточные воды являются основным резервуаром для микропластика и нанопластика. «Большинство людей полагают, что нанопластик попадает на очистные сооружения как нанопластик. Но мы показали, что микробная активность может расщеплять более крупные пластики на нанопластики во время очистки», — сказала она. Это открытие подчеркивает необходимость внимательно следить за тем, как пластик трансформируется во время своего путешествия через системы сточных вод в реки и озера.

Раскрыв механизм, посредством которого C. testosteroni разрушает ПЭТ, исследователи заложили основу для будущих приложений, которые могли бы использовать эту бактерию для крупномасштабных усилий по очистке пластика. При дальнейшей оптимизации эти биоинженерные решения могли бы стать критически важным инструментом в глобальной борьбе с пластиковым загрязнением.