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 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. 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).