Odkrycie to może utorować drogę rozwiązaniom bioinżynieryjnym w zakresie oczyszczania odpadów z tworzyw sztucznych.
Naukowcy od dawna zaobserwowali, że popularna rodzina bakterii środowiskowych, Comamonadacaerosną na tworzywach sztucznych zaśmieconych w rzekach miejskich i systemach kanalizacyjnych. Ale jakie dokładnie te Comamonas bakterie, pozostaje tajemnicą.
Teraz, Uniwersytet Północno-Zachodnipod przewodnictwem badaczy odkryli, w jaki sposób komórki a Comamonas bakteria rozkłada plastik na żywność. Najpierw żują plastik na małe kawałki, zwane nanoplastikami. Następnie wydzielają wyspecjalizowany enzym, który jeszcze bardziej rozkłada plastik. Wreszcie naukowcy odkryli, że bakterie wykorzystują pierścień atomów węgla z tworzywa sztucznego jako źródło pożywienia.
Odkrycie otwiera nowe możliwości opracowania rozwiązań inżynieryjnych na bazie bakterii, które pomogą w usuwaniu trudnych do usunięcia odpadów z tworzyw sztucznych, które zanieczyszczają wodę pitną i szkodzą dzikiej przyrodzie.
Wyniki badania zostaną opublikowane w czwartek (3 października) w czasopiśmie Nauka i technologia o środowisku.
„Po raz pierwszy systematycznie wykazaliśmy, że bakteria występująca w ściekach może pobrać wyjściowy materiał z tworzywa sztucznego, zniszczyć go, rozdrobnić, rozbić i wykorzystać jako źródło węgla” – powiedziała Ludmilla Aristilde z Northwestern, która kierowała badaniem badanie. „To niesamowite, że ta bakteria może przeprowadzić cały ten proces. Zidentyfikowaliśmy kluczowy enzym odpowiedzialny za rozkład tworzyw sztucznych. Można to zoptymalizować i wykorzystać, aby pomóc w pozbyciu się tworzyw sztucznych ze środowiska”.
Aristilde, ekspert w dziedzinie dynamiki związków organicznych w procesach środowiskowych, jest profesorem nadzwyczajnym inżynierii środowiska w McCormick School of Engineering w Northwestern. Jest także członkiem Centrum Biologii Syntetycznej, Międzynarodowego Instytutu Nanotechnologii i Instytutu Pauli M. Trienens ds. Zrównoważonego Rozwoju i Energii. Współautorami badania są Rebecca Wilkes, była doktorantka. studentka w laboratorium Aristilde oraz Nanqing Zhou, obecnie stażystka podoktorska w laboratorium Aristilde. W prace nad projektem włączyło się także kilku byłych badaczy, absolwentów i studentów studiów licencjackich z Aristilde Lab.
Problem zanieczyszczeń
Nowe badanie opiera się na tym wcześniejsze badania zespołu Aristildektóry odkrył mechanizmy umożliwiające Comamonas testosteri do metabolizowania prostych węgli powstałych z rozłożonych roślin i tworzyw sztucznych. W nowych badaniach Aristilde i jej zespół ponownie przyjrzeli się temu zjawisku C. testosteroniktóry rośnie na politereftalanie etylenu (PET), rodzaju plastiku powszechnie stosowanego w opakowaniach żywności i butelkach do napojów. Ponieważ PET nie ulega łatwo rozkładowi, jest głównym czynnikiem powodującym zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi.
„Należy zauważyć, że tworzywa PET stanowią 12% całkowitego światowego zużycia tworzyw sztucznych” – stwierdziła Aristilde. „I odpowiada za aż 50% mikroplastiku w ściekach.”
Wrodzona zdolność do degradacji tworzyw sztucznych
Aby lepiej zrozumieć jak C. testosteroni wchodzi w interakcję z plastikiem i żywi się nim, Aristilde i jej zespół zastosowali wiele podejść teoretycznych i eksperymentalnych. Najpierw pobrali bakterię wyizolowaną ze ścieków i hodowali ją na foliach i granulkach PET. Następnie za pomocą zaawansowanej mikroskopii obserwowali zmiany powierzchni tworzywa sztucznego w czasie. Następnie zbadali wodę wokół bakterii, szukając śladów rozbicia plastiku na mniejsze kawałki o wielkości nanometrów. Na koniec naukowcy zajrzeli do wnętrza bakterii, aby wskazać narzędzia, których bakterie używały do degradacji PET.
„W obecności bakterii mikroplastiki zostały rozbite na maleńkie nanocząsteczki tworzyw sztucznych” – stwierdziła Aristilde. „Odkryliśmy, że bakteria ściekowa ma wrodzoną zdolność do rozkładania tworzyw sztucznych aż do monomerów, małych cegiełek, które łączą się, tworząc polimery. Te małe jednostki są biodostępnym źródłem węgla, który bakterie mogą wykorzystać do wzrostu”.
Po potwierdzeniu tego C. testosteronirzeczywiście może rozkładać tworzywa sztuczne, Aristilde chciała się dowiedzieć, jak to zrobić. Dzięki technikom omikowym, które umożliwiają pomiar wszystkich enzymów wewnątrz komórki, jej zespół odkrył jeden specyficzny enzym, który ulega ekspresji w bakterii pod wpływem plastiku PET. Aby dokładniej zbadać rolę tego enzymu, Aristilde poprosiła współpracowników w Oak Ridge National Laboratory w Tennessee o przygotowanie komórek bakteryjnych nieposiadających zdolności do ekspresji enzymu. Co ciekawe, bez tego enzymu zdolność bakterii do degradacji plastiku została utracona lub znacznie zmniejszona.
Jak tworzywa sztuczne zmieniają się w wodzie
Chociaż Aristilde uważa, że to odkrycie można potencjalnie wykorzystać w rozwiązaniach środowiskowych, twierdzi również, że ta nowa wiedza może pomóc ludziom lepiej zrozumieć ewolucję tworzyw sztucznych w ściekach.
„Ścieki to ogromny zbiornik mikroplastików i nanoplastików” – stwierdziła Aristilde. „Większość ludzi uważa, że nanoplastiki trafiają do oczyszczalni ścieków jako nanoplastiki. Pokazujemy jednak, że nanoplastiki mogą powstawać podczas oczyszczania ścieków w wyniku aktywności drobnoustrojów. Musimy na to zwrócić uwagę, ponieważ nasze społeczeństwo stara się zrozumieć zachowanie tworzyw sztucznych na całej drodze od ścieków do rzek i jezior”.
Odniesienie: „Mechanizmy fragmentacji granulatu politereftalanu etylenu na nanoplastiki i przyswajalne węgle przez ścieków Comamonas” autorstwa Rebecca A. Wilkes, Nanqing Zhou, Austin L. Carroll, Ojaswi Aryal, Kelly P. Teitel, Rebecca S. Wilson, Lichun Zhang, Arushi Kapoor , Edgar Castaneda, Adam M. Guss, Jacob R. Waldbauer i Ludmilla Aristilde, 3 października 2024 r., Nauka i technologia o środowisku.
DOI: 10.1021/acs.est.4c06645
Badanie zostało wsparte przez National Science Foundation (numer nagrody CHE-2109097).
