Bakterie żyjące w ściekach potrafią rozkładać plastik. Naukowcy ustalili, jak to robią

W nowych badaniach naukowcy odkryli, w jaki sposób powszechnie występujące w ściekach bakterie rozkładają plastikowe odpadki. Ustalenia te mogą pomóc opracować nowe sposoby pozbycia się zalegających w środowisku odpadów z tworzyw sztucznych.

Naukowcy od dawna obserwowali bakterie z rodziny Comamonadaceae żyjące i rozwijające się na plastikowych odpadkach zalegających w miejskich rzekach i ściekach. Dotychczas nie było do końca wiadomo, jak drobnoustroje te rozkładają tworzywa sztuczne. W nowych badaniach naukowcy z Northwestern University odkryli, w jaki sposób bakterie radzą sobie z plastikiem. Ustalenia mogą pomóc opracować nowe strategie walki z wszechobecnymi plastikowymi odpadkami obecnymi w środowisku.

Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Environmental Science & Technology" (DOI: 10.1021/acs.est.4c06645).

Nowe badanie opiera się na wcześniejszych pracach zespołu z Northwestern University kierowanego przez Ludmille Aristilde, które ujawniły mechanizmy umożliwiające bakteriom Comamonas testosteri z rodziny Comamonadaceae metabolizowanie prostych węgli z rozkładających się roślin i obecnych też w tworzywach sztucznych. W nowych pracach Aristilde i jej zespół ponownie przyjrzeli się Comamonas testosteri. Wydaje się, że bakterie te dobrze prosperują na Poli(tereftalanie etylenu), czyli popularnym plastiku określanym jako PET. Jest on powszechnie stosowany w opakowaniach żywności i butelkach na napoje. Tworzywo to trudno się rozkłada i w dużej mierze przyczynia się do zanieczyszczenia środowiska.

Uczeni najpierw wyizolowali bakterie ze ścieków i zaczęli je hodować w laboratorium na foliach i kawałkach PET. Następnie użyli zaawansowanej mikroskopii, aby podglądać, co robią bakterie i jak zmienia się powierzchnia plastiku, na której żyją. W kolejnym kroku zbadali wodę wokół bakterii, szukając dowodów na rozpad plastiku na mniejsze kawałki wielkości nano. Naukowcy zajrzeli też do wnętrza bakterii, aby zlokalizować narzędzia, których te używały do degradacji PET.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Zaobserwowali, że w obecności bakterii mikroplastik został rozbity na maleńkie nanocząsteczki. - Odkryliśmy, że te bakterie ściekowe mają wrodzoną zdolność do degradacji plastiku aż do monomerów, małych bloków budulcowych, które łączą się, tworząc polimery. Te małe jednostki są źródłem węgla, którego bakterie mogą używać do wzrostu – wyjaśniła Aristilde.

Naukowcy ustalili, że bakterie najpierw rozdrabniają plastik na małe kawałki, określane nanoplastikami. Potem wydzielają specjalistyczny enzym, który dzieli plastiki na jeszcze mniejsze fragmenty, co pozwala bakteriom dostać się do atomów węgla z plastiku, które wykorzystują jako źródło pożywienia.

- Po raz pierwszy wykazaliśmy, że bakterie ściekowe mogą wziąć wyjściowy materiał z tworzywa sztucznego, zniszczyć go, rozdrobnić, rozłożyć i wykorzystać jako źródło węgla — powiedziała Aristilde. - To niesamowite, że ta bakteria może wykonać cały ten proces. W badaniach zidentyfikowaliśmy kluczowy enzym odpowiedzialny za rozkład plastiku. Można go zoptymalizować i wykorzystać, aby pomóc pozbyć się tworzyw sztucznych ze środowiska – dodała i zaznaczyła jednocześnie, że PET stanowi 12 proc. całkowitego globalnego zużycia plastiku oraz do 50 proc. mikroplastiku obecnego w ściekach.

Po potwierdzeniu, że Comamonas testosteri rzeczywiście może rozkładać plastik, Aristilde chciała dowiedzieć się, jak bakterie to robią. Dzięki różnym technikom, które mierzą wszystkie enzymy wewnątrz komórki, jej zespół odkrył jeden konkretny enzym, który bakteria wytwarzała po kontakcie z tworzywami sztucznymi. Gdy bakterie za pomocą inżynierii genetycznej zostały pozbawione zdolności do wytwarzania tego enzymu, zdolność bakterii do degradacji plastiku została utracona lub znacznie zmniejszona.

To odkrycie potencjalnie można wykorzystać do rozwiązania problemu zalegających w środowisku odpadków z tworzyw sztucznych. - Ścieki są ogromnym rezerwuarem mikroplastiku i nanoplastiku. Większość ludzi myśli, że nanoplastik trafia do oczyszczalni ścieków już jako nanoplastik. Ale my pokazujemy, że nanoplastik może powstawać podczas oczyszczania ścieków poprzez aktywność mikrobiologiczną. To coś, na co musimy zwrócić uwagę – podkreśliła Aristilde.

Źródło: Northwestern University, fot. Ludmilla Aristilde/Northwestern University