Микробная деградация пластика
Проблема разложения пластиковых отходов стоит в настоящее время необыкновенно остро. Являясь одним из основных ксенобиотиков, пластик загрязняет почву и мировой океан в глобальном масштабе. Так, в 2017 году было произведено 8300 миллионов тонн пластика, из которых 60% попало в окружающую среду, причем из них 95% оказалось на полигонах бытовых отходов, а 5% попало непосредственно в природные резервуары, в первую очередь в океан.
Наиболее распространенные пластики производятся из нефтепродуктов – это полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полипропилен (ПП) и полистирол. (ПС). Эти материалы наиболее часто используются в бытовых и промышленных целях, оставаясь устойчивыми к биоразложению. Тем не менее, несмотря на то, что пластики являются неприродными биополимерами, к их разложению способны микроорганизмы, обладающие ферментативными механизмами, воздействующими на сложные природные субстраты. Биоразлагаемость их зависит от вида пластика и от степени кристаллизации их молекул. Так, известно, что к разложению ПЭ способны лигнолитические микроорганизмы, продуцирующие лакказы, марганец-содержащие пероксидазы и лигнин-пероксидазы — ферменты, расщепляющие фенол-содержащие звенья лигнина, а также продуценты алкан-оксидаз и алкан-монооксигеназ, разлагающих алифатические углеводороды. ПЭТ – наиболее распространенный полимер класса полиэфиров — разлагают микроорганизмы-продуценты полиэстераз, и карбоксиэстераз, причем с повышением температуры этот процесс ускоряется.
Механизмы биоразложения пластиков исследуются, однако во многих случаях они остаются неизвестными.
Несмотря на то, что проблемой разрушения различных видов пластиков много и успешно занимаются, пока не удается существенно ускорить этот процесс. Связанные с этой целью попытки включают дополнительное воздействие физико-химических факторов (UV, температуры), оптимизации условий работы ферментов, поиск новых микроорганизмов, способных разрушать различные виды пластиков. Вместе с тем становится явным, что разнообразие микроорганизмов, способных разрушать пластики, гораздо шире известного в настоящее время.
До сих пор очень мало внимания уделялось анаэробным процессам разложения пластиков и участию в этих процессах микроорганизмов, обитающих в экстремальных местообитаниях, а также отношениям микроорганизмов в ассоциациях, осуществляющих этот процесс. Метагеномный анализ микробных сообществ, осуществляющих эффективное разложение пластиков поможет выявить новые группы микроорганизмов, обладающих этой способностью и охарактеризовать механизмы идущих в них процессов.
На кафедре микробиологии исследованием процесса разложения пластика занимается несколько групп, которыми руководят И.Б. Котова, Е.А. Цавкелова, И.А. Бубнов. В руках исследователей имеются накопительные культуры термофильных и мезофильных бактерий, разлагающие пластики – полиэтилен низкого и высокого давления, ПЭТ, поливиниловый спирт, полистирол и другие. Наряду с аэробными мезофильными сообществами имеются устойчивые микробные консорциумы, разлагающие различные виды пластиков в анаэробных условиях, в том числе при высоких температурах, что является принципиально новым в этой области исследований.
Основными методами исследования процесса микробной деградации пластика являются гравиметрический метод, показывающий уменьшение веса образцов, определение прироста микробной биомассы по белку относительно контроля, а также электронная микроскопия поверхности образцов пластика.
Инкубация пленки полиэтилена в течение месяца с микробным сообществом, полученным из компоста. Сканирующая электронная микроскопия. А — исходная поверхность полиэтилена. Б — микробное обрастание после инкубации. В — состояние полиэтилена после отмывания микроорганизмов.
В настоящее время в сотрудничестве с учеными химического факультета проходит испытание других методов регистрации микробной деградации пластика – изменение прочности образцов пластика под воздействием микроорганизмов, ИК-спектроскопия, ВЭЖХ и другие.
Сравнение состава микробного сообщества в присутствии пластика и на контрольной среде позволяет выявить группы, участвующие в процессе деградации пластика. Так, предварительный анализ сообществ, разлагающих пластик, с помощью высокопроизводительного секвенирования гипервариабельных участков гена 16S рРНК показал, что в активных культурах доминируют новые группы микроорганизмов, в том числе некультивируемых. Метагеномный анализ сообществ на разных стадиях разложения пластика выявит ключевые ферменты, обуславливающие процесс деструкции пластиков и поможет найти пути интенсификации процесса.
Изменение состава анаэробного микробного сообщества гидротермальных источников Камчатки после инкубации с полиэтиленом. А — контроль без пластика. Б — добавление полиэтилена.
Круговая диаграмма SILVAngs по результатам высокопроизводительного секвенирования генов 16S рРНК.
Подробнее ознакомиться с темой можно в обзоре:
I. B. Kotova, Yu. V. Taktarova, E. A. Tsavkelova, M. A. Egorova, I. A. Bubnov, D. V. Malakhova, L. I. Shirinkina, T. G. Sokolova, E. A. Bonch-Osmolovskaya. Microbial Degradation of Plastics and Approaches to Make It More Efficient // Microbiology, 2021, Vol. 90, No. 6, pp. 671–701.
ISSN 0026-2617, DOI: 10.1134/S0026261721060084