Бактерии разлагающие пластик: Бактерии научились разлагать пластик

Содержание

Бактерии научились разлагать пластик — Ведомости.Экология

Pixabay

Пляжи завалены пластиковыми бутылками и обертками. Желудки морских черепах наполнены осколками пластика. Пластиковые рыболовные сети, выброшенные в море, могут задушить ничего не подозревающих животных. А в Тихом океане водное пространство, более чем в два раза превышающее площадь Франции, усеяно пластиковыми отходами весом не менее 79 тыс. тонн. Наряду с такими известными решениями, как переработка отходов, появилось новое: микроорганизмы. Некоторые микробы развили у себя способность питаться определенными видами пластмасс, расщепляя их на молекулы, пишет The Guardian.

Люди производят огромное количество пластика. По данным торговой ассоциации Plastics Europe, в 2020 году в мире его было произведено 367 млн тонн. Это несколько меньше, чем в 2019 году, когда было произведено 368 млн тонн — вероятно это связано с пандемией Covid-19, так как ранее производство увеличивалось почти каждый год, начиная с 1950-х. Исследование, проведенное в 2017 году, показало, что в общей сложности было произведено 8,3 млрд тонн пластика. По данным Всемирного банка, в 2016 году в мире образовалось 242 млн тонн пластиковых отходов. Производство пластика подразумевает использование ископаемых видов топлива, таких как нефть, со всеми вытекающими отсюда рисками загрязнения. При производстве пластмасс также выделяются парниковые газы, которые способствуют глобальному потеплению. Только индустрия пластмасс в США ежегодно выделяет 232 млн тонн парниковых газов.

Решение этой проблемы состоит не в том, чтобы полностью отказаться от использования пластмассы, потому что она полезна и удобна в использовании. Например, пластиковые бутылки намного легче стеклянных, поэтому для их транспортировки требуется меньше энергии и выделяется меньшее количество парниковых газов. Но новое решение в утилизации пластика необходимо. И здесь на помощь приходят микроорганизмы.

Как и все пластмассы, полиэтилентерефталат (ПЭТ) — это материал, состоящий из длинных нитевидных молекул. Они собраны из более мелких молекул, соединенных вместе в цепочки. Химические связи в цепочках ПЭТ прочны, поэтому они долговечны.

В 2016 году исследователи во главе с микробиологом Кохеем Одой из Киотского технологического института в Японии сообщили о неожиданном открытии. Ученые взяли образцы осадка и сточных вод, загрязненных ПЭТ, и проверили их на наличие микроорганизмов, которые могли расти на пластике. Так был обнаружен новый штамм бактерий, называемый Ideonella sakaiensis 201-F6. Эта бактерия может использовать ПЭТ в качестве основного источника питательных веществ, разрушая ПЭТ в процессе питания. Дело в том, что Ideonella sakaiensis 201-F6 производит два уникальных фермента, способствующих быстрому разложению этого пластика. Первый — это петаза, которая расщепляет длинные молекулы ПЭТ на более мелкие молекулы, называемые MHET. Затем в работу вступает второй фермент, называемый метазой, производящий этиленгликоль и терефталевую кислоту.

Это открытие попало в заголовки газет по всему миру, но это был не первый пример организма, способного разлагать пластик. Сообщения о таких микробах датируются, по крайней мере, началом 1990 годов. Самые ранние примеры были, возможно, менее примечательны, потому что в них микробы могли есть только те пластмассы, которые были химически хрупкими или легко поддавались биологическому разложению. Но к 2000- годам исследователи нашли ферменты, которые справляются с более стойкими пластмассами. Выдающимся ученым в этой области был Вольфганг Циммерманн из Лейпцигского университета в Германии. Его команда изучала ферменты, называемые кутиназами, которые были получены из бактерий, таких как Thermobifida cellulosilytica, и которые также могли расщеплять ПЭТ. Ларс Бланк из Ахенского университета в Германии организовал создание консорциума исследователей для изучения ферментов, поедающих пластик. Бланк создал проект под названием MIX-UP, в рамках которого сотрудничают европейские и китайские исследователи. К середине 2010 годов было известно множество ферментов, разлагающих пластик. Так почему же Ideonella sakaiensis 201-F6 вызвала такой ажиотаж? «Дело в том, что этот микроорганизм мог использовать пластик в качестве единственного источника энергии и пищи», — объяснил Джон Макгихан из Портсмутского университета (Великобритания). Иными словами, более ранние ферменты эволюционировали, чтобы разрушать молекулы с прочными связями, встречающиеся в живых существах, а их способность разлагать пластик была побочным эффектом. Напротив, ферменты в Ideonella sakaiensis 201-F6 -специализированные. Макгихан и его коллеги изменили структуру петазы Ideonella sakaiensis 201-F6. Это сделало фермент более эффективным при разложении ПЭТ. В планах ученых — еще больше модифицировать петазу и другие подобные ферменты, чтобы их можно было использовать в промышленных масштабах для расщепления пластмасс. «Мы получили от правительства грант в размере £6 млн от правительства и основали Центр инноваций в области ферментов», — рассказал Макгихан.

До сих пор большая часть деятельности велась в университетах, но были и попытки коммерциализировать эту технологию. Университет Портсмута создал компанию Revolution Plastics, целью которой является налаживание связей между учеными и промышленностью. «Мы уже объявили о совместном проекте с Coca-Cola», — сообщил Макгихан. Одним из самых передовых проектов руководит французская биотехнологическая компания Carbios. В сентябре 2021 года она открыла пилотный завод в Клермон-Ферране, где будет тестировать систему переработки ПЭТ

Бактерии по всему миру начали эволюционировать, чтобы приспособиться для переработки пластика — Будущее на vc.ru

{«id»:13722,»url»:»\/distributions\/13722\/click?bit=1&hash=c98f8fadbd1b10be2da65632624696aea605d387761f674ae487efda19a0c472″,»title»:»\u041f\u043e\u0434\u043a\u043b\u044e\u0447\u0438\u0442\u044c \u0432\u0430\u043b\u044e\u0442\u043d\u044b\u0435 \u0441\u0447\u0435\u0442\u0430 \u0432 \u044e\u0430\u043d\u044f\u0445 \u0438 \u0442\u0435\u043d\u0433\u0435″,»buttonText»:»»,»imageUuid»:»»,»isPaidAndBannersEnabled»:false}

Журнал Microbial Ecology опубликовал исследование группы учёных из Технологического университета Чалмерса. Исследователи обнаружили у различных микробов порядка 30 тысяч ферментов, которые способны разрушать 10 различных типов пластика, пишет The Guardian.

3586
просмотров

Учёные из Чалмерса проанализировали образцы более 200 миллионов генов в образцах ДНК окружающей среды, полученные из сотен участков океанов и суши по всему миру.

Распределение ферментов, разлагающих пластик, по планете Иллюстрация Microbial Ecology

Используя наши модели, мы нашли несколько линий доказательств, подтверждающих тот факт, что потенциал глобального микробиома по разложению пластика сильно коррелирует с измерениями загрязнения окружающей среды пластмассой. Это является важной демонстрацией того, как окружающая среда реагирует на давление, которое мы на неё оказываем.
Нашим следующим шагом будет тестирование ферментов в лаборатории для тщательного изучения их свойств и скорости разложения пластика. Так мы сможем создать микробные сообщества с целевыми функциями разложения для конкретного полимера.
Алексей Железняк, автор исследования

За последние 70 лет массовое производство пластика выросло с двух миллионов до 380 миллионов тонн, а около восьми миллионов тонн ежегодно смываются в мировой океан.

Эволюция микробиомов по всему миру стала ответом природы на растущее загрязнение пластиком. Тот факт, что данный процесс — общемировая тенденция, подтверждают и другие исследования:

Пять лет назад учёные из Японии изучили почву и ил в районе одного из центров по переработке пластмасс. В результате, они обнаружили бактерию, которая с помощью специальных ферментов перерабатывала упаковки из термопластика и трансформировала материал в энергию.
Микробиомы с наиболее сильной концентрацией ферментов, разлагающих пластик, концентрируются на более глубоких уровнях океана, где такого материала очень много. Учёные установили связь между наличием в почве фталата (сложных эфиров фталевой кислоты, которые добавляются в пластмассу для повышения её гибкости) и увеличением доли органических ферментов, которые способны его разрушать.
В 2016 году в Японии нашли первого жука, который поедает и переваривает пластик. Учёные изучили свойства насекомого и создали фермент, который разрушает пластиковые бутылки. Спустя четыре года они усовершенствовали его, после чего фермент разлагал пластик в несколько раз быстрее.
В 2021 году австрийские биологи открыли бактерию, которая разлагает синтетику в желудках коров. Немецкие учёные также нашли микроорганизмы, которые разрушают пластик за несколько часов.

#наука #бактерии #пластик

Гонка за созданием бактерий, питающихся пластиком

Ученые обнаружили бактерии, способные биоразлагать пластмассы из полимеров обратно в … [+] мономеры.

AFP via Getty Images

В марте 2016 года ученые из Японии опубликовали необычное открытие. Собрав немного шлама за пределами предприятия по переработке бутылок в Осаке, они обнаружили бактерии, которые развили способность разлагать или «съедать» пластик.

Бактерии, Ideonella sakaiensis, , могла есть только определенный вид пластика, называемый ПЭТ, из которого обычно изготавливаются бутылки, и она не могла делать это достаточно быстро, чтобы уменьшить количество десятков миллионов тонн пластиковых отходов, которые ежегодно попадают в окружающую среду. .

Тем не менее, это и ряд других прорывов последних лет означают, что однажды можно будет построить промышленные предприятия, где ферменты пережевывают груды пластика, связанного с мусорными свалками, или даже распыляют их на горы пластика, которые накапливаются. в океане или в реках.

Эти достижения своевременны. Значительно увеличив использование одноразового пластика, такого как маски и коробки для еды на вынос, пандемия Covid-19 привлекла внимание к мировому кризису пластиковых отходов. Согласно одной из оценок, к 2050 году на Земле будет столько пластика в океане, сколько рыбы по весу.

Тем не менее, эксперты предупреждают, что до крупномасштабного коммерческого использования микроорганизмов, поедающих пластик, еще далеко, а их потенциальное попадание в окружающую среду, даже если оно будет практически целесообразным, может создать больше проблем, чем решить.

ЕЩЕ ОТ FORFORBES ADVISOR

Преодоление эволюционного барьера

Ученые, работающие над поиском и развитием организмов, питающихся пластиком, должны бороться с основной реальностью: эволюцией. У микробов были миллионы лет, чтобы научиться биоразлагать органические вещества, такие как фрукты и кора деревьев. У них почти не было времени, чтобы научиться разлагать пластик, который не существовал на Земле ни в каком масштабе примерно до 1950 года. это может ее разрушить», — сказал Пьер-Ив Паслье, соучредитель британской компании Notpla, которая использует морские водоросли и другие растения для производства пленок и покрытий, которые могут заменить некоторые виды пластиковой упаковки. В отличие от пластика, сказал он.

Тем не менее, недавние открытия микроорганизмов, питающихся пластиком, показывают, что эволюция уже работает. Через год после обнаружения в 2016 году Ideonella sakaiensis в Осаке ученые сообщили о грибке, способном разлагать пластик на свалке отходов в Исламабаде, Пакистан. В 2017 году студентка-биолог из Рид-колледжа в Орегоне проанализировала образцы с нефтяного месторождения недалеко от ее дома в Хьюстоне, штат Техас, и обнаружила, что они содержат бактерии, поедающие пластик. В марте 2020 года немецкие ученые обнаружили штаммы бактерий, способных разлагать полиуретановый пластик, после сбора почвы на свалке хрупких пластиковых отходов в Лейпциге.

Чтобы сделать любую из этих встречающихся в природе бактерий полезной, они должны быть биоинженерными, чтобы разлагать пластик в сотни или тысячи раз быстрее. Здесь ученые тоже добились некоторых прорывов. В 2018 году ученые из Великобритании и США модифицировали бактерии, чтобы они могли начать разлагать пластик за считанные дни. В октябре 2020 года процесс был улучшен еще путем объединения двух разных ферментов, поедающих пластик, которые производили бактерии, в один «суперфермент».

До первых крупномасштабных коммерческих приложений еще далеко, но уже не за горами. Французская фирма Carbios может в ближайшие месяцы начать строительство демонстрационного завода, который сможет ферментативно разлагать ПЭТ-пластик.

Это могло бы помочь таким компаниям, как PepsiCo и Nestle, с которыми сотрудничает Carbios, достичь давних целей по включению большого количества переработанного материала обратно в свою продукцию. До сих пор им не удавалось добиться успеха, потому что никогда не существовало способа в достаточной степени разложить пластик обратно на более фундаментальные материалы. (Из-за этого большая часть пластика, который перерабатывается, используется только для изготовления предметов более низкого качества, таких как ковры, и, вероятно, больше никогда не будет переработана.)

«Без новых технологий им невозможно достичь своих целей. Это просто невозможно», — сказал Мартин Стефан, заместитель генерального директора Carbios.

Помимо бактерий, питающихся пластиком, некоторые ученые предполагают, что можно использовать наноматериалы для разложения пластика на воду и углекислый газ. Одно исследование 2019 года, опубликованное в журнале Matter , продемонстрировало использование «магнитных пружинных углеродных нанотрубок» для биоразложения микропластика на углекислый газ и воду.

Будущие вызовы

Даже если эти новые технологии когда-нибудь будут широко развернуты, они все равно столкнутся с серьезными ограничениями и даже могут быть опасными, предупреждают эксперты.

Было показано, что из семи основных коммерческих типов пластика фермент, поедающий пластик, лежащий в основе нескольких недавних открытий, переваривает только один, ПЭТ. Другие пластмассы, такие как HDPE, используемые для изготовления более твердых материалов, таких как бутылки для шампуня или трубы, могут оказаться более сложными для биоразложения с помощью бактерий.

Бактерии также не в состоянии полностью разложить пластик до основных строительных блоков, включая углерод и водород. Вместо этого они обычно расщепляют полимеры, из которых состоят пластмассы, обратно на мономеры, которые часто полезны только для создания большего количества пластмасс. Предприятие Carbios, например, предназначено только для переработки ПЭТ-пластика в исходное сырье для производства большего количества пластмасс.

Плавучий пластиковый мусор на реке Искыр возле гидроэлектростанции «Своге» в январе 2021 года в … [+] Своге, Болгария.

Getty Images

Даже если однажды станет возможным массовое производство бактерий, которые можно распылять на кучи пластиковых отходов, такой подход может быть опасным. Биоразложение полимеров, из которых состоит пластик, может привести к высвобождению химических добавок, которые обычно надежно хранятся внутри неразложившегося пластика.

Другие отмечают, что существуют потенциальные неизвестные побочные эффекты выпуска генетически модифицированных микроорганизмов в природу. «Поскольку, скорее всего, потребуются генно-инженерные микроорганизмы, их нельзя бесконтрольно выпускать в окружающую среду», — сказал Вольфганг Циммерман, ученый из Лейпцигского университета, изучающий биокатализ.

Подобные проблемы ограничивают потенциальное использование наноматериалов. Николь Гроберт, специалист по наноматериалам из Оксфордского университета, сказала, что крошечные масштабы, связанные с нанотехнологиями, означают, что широкое использование новых материалов «усугубит проблему таким образом, что это может привести к еще большим проблемам».

Эксперты считают, что лучший способ преодолеть кризис пластиковых отходов — это перейти на многоразовые альтернативы, такие как материалы Notpla, полученные из морских водорослей, гарантируя, что неперерабатываемые пластиковые отходы попадут на свалку, а не в окружающую среду, и используя биоразлагаемые материалы, где это возможно.

Джудит Энк, бывший администратор регионального Агентства по охране окружающей среды (EPA) в администрации Обамы и президент Beyond Plastics, некоммерческой организации, базирующейся в Вермонте, указала на постепенное распространение запретов на одноразовые пластмассы по всему миру. из Индии в Китай в ЕС, Великобританию и ряд штатов США от Нью-Йорка до Калифорнии.

Это признаки прогресса, сказала она, хотя необходимы более жесткие меры. «Мы не можем ждать большого прорыва».

Обновление: эта история была обновлена, чтобы прояснить время открытия бактерий, питающихся пластиком, студентом Рид-колледжа.

Бактерии, питающиеся пластиком: инженерия и воздействие

Художественная иллюстрация бактерий, поедающих пластик.
(Изображение предоставлено: Getty Images)

Бактерии, питающиеся пластиком, могут однажды помочь справиться с некоторыми из 14 миллионов тонн пластика, которые ежегодно выбрасываются в наши океаны. Загрязнение пластиком оказывает серьезное воздействие на морские экосистемы и может сказаться на здоровье человека. Например, по данным Международного союза охраны природы (МСОП), попав в океан, пластик может задушить и запутать животных.

Микропластик также попадает в организм многих морских видов, на которые охотятся другие виды и которые мы ловим в пищу. По данным МСОП, после попадания внутрь микропластик может вымывать токсичные загрязняющие вещества, которые собрались на его поверхности, в тело организма, который его съел.

Связанные статьи

Эти токсины могут накапливаться и передаваться по пищевой цепочке от морских обитателей к людям всякий раз, когда мы едим что-то, что было взято из моря. На суше большая часть пластика в конечном итоге либо накапливается на свалках, либо сжигается в мусоросжигательных печах, выделяющих токсичные пары. По данным BBC, всего 16% всего производимого пластика перерабатывается для производства нового пластика .

Однако в 2016 году японские ученые сделали замечательное открытие, которое может помочь решить мировую проблему пластика, согласно журналу Science . Ученые собрали пластиковые бутылки возле предприятия по переработке и обнаружили, что определенный вид бактерий «проедает» себе путь через них. Обычно бактерии поглощают мертвые органические вещества, но у Ideonella sakaiensis появился вкус к определенному типу пластика, который называется полиэтилентерефталат (ПЭТ).

3D-иллюстрация того, как ПЭТаза разрушает цепочки пластиковых молекул. (Изображение предоставлено Getty Images)

Проанализировав бактерии, ученые обнаружили, что они производят два пищеварительных фермента, называемых гидролизующим ПЭТ или ПЭТазой. Когда эти ферменты взаимодействуют с ПЭТ-пластиком, они расщепляют длинные молекулярные цепи на более короткие цепи (мономеры), называемые терефталевой кислотой и этиленгликолем. Затем эти мономеры расщепляются, чтобы высвободить энергию для роста бактерий.

После открытия бактерий, питающихся пластиком, многие ученые-генетики экспериментировали с Ideonella sakaiensis , чтобы повысить его эффективность. Одно из таких исследований заключалось в том, чтобы генетически спроектировать бактерии, которые более эффективно производят ферменты, такие как E.coli, и превратить их в фабрики ПЭТазы.

Хотя это открытие дает надежду на борьбу с монтажным пластиком, ученые предупреждают, что до широкого коммерческого использования еще далеко. Точно так же ПЭТаза разлагает только ПЭТ-пластик, есть шесть других типов пластика, которые мы до сих пор не можем разложить с помощью ферментов.

Супер ПЭТаза

Исследователи из Портсмутского университета модернизировали ПЭТазу, чтобы создать ферментный «коктейль», который, по их словам, может переваривать пластик в шесть раз быстрее, чем обычно. Согласно журналу Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) , ученые объединяют PETase с другим ферментом, поедающим пластик, под названием MHETase, чтобы сформировать один суперфермент.

По данным Университета Портсмута, комбинированный фермент PETase-MHETase был создан с помощью синхротрона, типа ускорителя частиц, который использует рентгеновские лучи в 10 миллиардов раз ярче солнца. Это позволило исследователям увидеть отдельные атомы каждого фермента и нарисовать их молекулярные схемы.

Затем ученые сшили свои ДНК вместе, чтобы сформировать суперфермент. Этот фермент также может расщеплять полиэтиленфураноат (PEF), биопластик на основе сахара.

Научная иллюстрация «суперфермента», созданного путем сшивания ферментов MHETase и PETase бактерий, питающихся пластиком. (Изображение предоставлено Рози Грэм)

Превращение пластика в ваниль

Исследователи из Эдинбургского университета использовали бактерии E. coli для преобразования пластика в ванилин, основной компонент экстракта ванильных бобов. Учитывая, что глобальный спрос на ванилин превысил 40 000 тонн (37 000 метрических тонн) в 2018 году, а 85% производится из химических веществ, полученных из ископаемого топлива, использование пластика может быть экологически чистой альтернативой, , как ранее сообщала Live Science .

После разложения ПЭТ-пластика на его основные мономеры исследователи пошли еще дальше и превратили один из этих мономеров, терефталевую кислоту, в ванилин посредством ряда химических реакций. Полученный ванилин считается пригодным для употребления в пищу человеком, хотя необходимы дальнейшие исследования.

Дополнительные ресурсы

Для получения дополнительной информации о пластиковой проблеме Земли посетите веб-страницы о пластиковом загрязнении Greenpeace (открывается в новой вкладке) и WWF (открывается в новой вкладке). Если вам нужна дополнительная информация о том, как вы можете сократить использование пластика, ознакомьтесь с « Как отказаться от пластика: руководство по изменению мира, по одной пластиковой бутылке за раз» (открывается в новой вкладке) «» автора Уилл МакКаллум и « Как спасти мир бесплатно (откроется в новой вкладке)» Натали Фи.

Библиография

МСОП, «Загрязнение морской среды пластиком », ноябрь 2021 г.
Шосуке Ёсида и др., «Бактерия, которая разлагает и ассимилирует полиэтилентерефталат (открывается в новой вкладке)», Наука, том 351, март 2016 г.
Анкита Маурья, «Ферментативное восстановление полиэтилентерефталата (ПЭТ) – Полимеры на основе эффективного управления пластиковыми отходами: обзор (открывается в новой вкладке)», Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Volume 8, November 2020.
Brandon C. Knott, et al, «Характеристика и разработка ферментная система для деполимеризации пластмасс (открывается в новой вкладке)», PNAS, том 117, сентябрь 2020 г.
Румиана Тенчов, «Могут ли суперферменты, поедающие пластик, решить нашу разрушительную пластиковую проблему? », CAS, март 2021 г.
Кэтрин Латам, «Первый в мире «бесконечный» пластик «, BBC, май 2021 г.
Скотт Карпентер, «Гонка за разработку бактерий, питающихся пластиком «, Forbes, март 2021 г.
Эдинбургский университет, «Бактерии: вкусное решение глобального пластикового кризиса» (откроется в новой вкладке)» ScienceDaily, июнь 2021 г.