Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) раскрыли механизмы участия различных природных бактерий в переработке биоразлагаемых полимеров
Применение биоразлагаемого пластика рассматривается как один из перспективных способов преодоления глобального кризиса отходов, угрожающего экосистемам и здоровью человека. Однако до сих пор оставалось неясным, сколько времени занимает процесс деструкции таких материалов в естественной среде и как именно взаимодействуют между собой различные группы микроорганизмов в ходе этого процесса.
Глубокое понимание биологических механизмов распада пластмасс позволит специалистам проектировать более совершенные экологичные материалы и создавать инновационные системы микробиологической утилизации, способные трансформировать мусор в ценные ресурсы.
Специалисты из MIT сделали важный шаг в этом направлении, исследовав принципы кооперации бактерий при разложении полимеров. В своей новой работе, опубликованной в журнале Environmental Science and Technology, авторы описали роль конкретных морских микроорганизмов в расщеплении популярного вида биоразлагаемого пластика. Исследование выявило систему взаимодополняющих процессов: один вид бактерий дробит полимер на химические составляющие, а остальные утилизируют полученные продукты распада.
Авторы подчеркивают, что это одно из первых изысканий, детализирующее вклад отдельных видов бактерий. Выяснилось, что скорость разложения материала может существенно варьироваться под влиянием ряда критических факторов.
«Существует большая неопределенность в вопросе о том, как долго подобные материалы сохраняются в окружающей среде, — отмечает ведущий автор исследования Марк Фостер, докторант совместной программы MIT и Океанографического института в Вудс-Хоуле (WHOI). — Наши данные подтверждают, что биоразложение критически зависит от состава микробного сообщества, в которое попадает пластик. Также роль играет химическая структура самого полимера и технология его производства. Эти знания необходимы для того, чтобы минимизировать время присутствия этих материалов в природе».
Тайны микробного симбиоза
Исследователи возлагают большие надежды на то, что внедрение биоразлагаемых полимеров поможет решить проблему колоссальных объемов мусора, скапливающегося в Мировом океане и на полигонах.
«Более половины всего произведенного пластика оказывается на свалках или попадает непосредственно в экосистемы, — поясняет Фостер. — Без понимания тонкостей процессов деструкции мы не в состоянии точно прогнозировать долговечность этих материалов и эффективно управлять их утилизацией».
До настоящего времени большинство научных работ фокусировалось на изучении отдельных штаммов микроорганизмов, что, по мнению Фостера, не отражает реальную картину, происходящую в дикой природе.
«Крайне редко одна бактерия способна осуществить полный цикл разложения. Это требует огромных метаболических затрат для синтеза всех ферментов, необходимых для деполимеризации и последующего усвоения химических единиц в качестве источника энергии», — добавляет исследователь.
Другие научные подходы пытались фиксировать общие генетические следы бактериальных групп при разложении пластика, что давало лишь поверхностное представление о составе участников, не раскрывая конкретных механизмов их работы.
В рамках данного проекта ученые решили детально изучить роль конкретных видов в цепочке полной деградации алифатико-ароматического сополиэфира — биоразлагаемого пластика, который широко применяется в производстве пакетов, упаковки и сельскохозяйственных пленок для мульчирования почвы.
В ходе эксперимента специалисты компании BASF поместили образцы материала на различные глубины в Средиземном море для формирования на их поверхности специфической биопленки. Затем образцы были переданы в лабораторию MIT, где биологи выделили максимально возможное число штаммов. В результате было идентифицировано 30 видов бактерий, активно развивающихся на пластиковом субстрате.
Используя уровень выделения углекислого газа как индикатор распада, ученые протестировали каждый вид по отдельности. Оказалось, что только один вид — Pseudomonas pachastrellae — способен эффективно деполимеризовать пластик, расщепляя его на три базовых компонента: терефталевую кислоту, себациновую кислоту и бутандиол.
Однако выяснилось, что эта бактерия не может самостоятельно переработать все три вещества. Дальнейшие тесты показали, что ни один из изученных видов не обладает универсальной способностью поглощать все три компонента по отдельности, хотя некоторые штаммы могли усваивать одно или два из них.
В итоге исследователи сформировали консорциум из пяти видов с взаимодополняющими функциями. Эта небольшая группа продемонстрировала такую же эффективность в полной утилизации пластика, как и исходное сообщество из 30 видов.
«Мне удалось упростить сложный процесс до набора конкретных метаболических задач, — говорит Фостер. — При удалении хотя бы одного звена из этой пятерки интенсивность минерализации резко падала. Это доказывает, что каждый участник критически важен. В одиночку ни одна бактерия не могла достичь такого результата, что подтверждает необходимость их синергии. Эффект превзошел все ожидания».
Ученые также обнаружили, что эта группа бактерий была бессильна против другого типа пластика, что указывает на узкую специализацию микробных сообществ.
«Это подтверждает гипотезу о том, что именно локальный микробиом в месте захоронения отходов диктует сроки их разложения», — резюмирует Фостер.
На пути к ускоренной утилизации
Фостер признает, что выявленные бактерии, скорее всего, характерны именно для экосистемы Средиземного моря, а в эксперимент попали только те виды, которые смогли адаптироваться к лабораторным условиям. Тем не менее, данная работа является пионерской в области распределения ролей внутри бактериальных сообществ при деградации полимеров.
«В большинстве аналогичных работ не удается разграничить, кто именно отвечает за деполимеризацию, а кто за окончательную минерализацию, — поясняет он. — Мы же четко распределили функции и доказали, что слаженная работа группы позволяет полностью ликвидировать полимер».
Данное исследование закладывает фундамент для создания биотехнологических систем, способных ускорять переработку пластика или конвертировать его в ценные продукты. Сейчас Фостер продолжает работу над докторской диссертацией, изучая оптимальные комбинации бактерий для интенсификации процесса и механизмы связывания ферментов с частицами пластика.
Проект получил поддержку Консорциума по климату и устойчивому развитию MIT, компании BASF SE и Национального научного фонда США (NSF).
