W dzisiejszym świecie, w obliczu poważnych wyzwań związanych z zanieczyszczeniem środowiska, zwłaszcza odpadami plastikowymi, odkrycia dotyczące zdolności niektórych bakterii do rozkładu plastiku stanowią znaczący postęp. Grupa bakterii znana jako Comamonadacae znalazła się w centrum uwagi badaczy z powodu swojej zdolności do rozwoju na plastikach występujących w miejskich rzekach i systemach ściekowych. Do niedawna pozostawało niejasne, jak te bakterie faktycznie działają i jaki mają wpływ na rozkład plastiku.

Zespół badawczy z Northwestern University odkrył mechanizmy, dzięki którym bakterie Comamonas rozkładają plastik na potrzeby odżywiania. W pierwszym kroku bakterie rozdrabniają plastik na małe kawałki, znane jako nanoplastiki, a następnie wydzielają wyspecjalizowany enzym, który dalej rozkłada ten plastik. Proces ten kończy się, gdy bakterie wykorzystują pierścień atomów węgla z plastiku jako źródło pożywienia. Według Ludmille Aristilde, która kierowała badaniami opublikowanymi w czasopiśmie Environmental Science & Technology, odkrycie to stanowi pierwszą systematyczną prezentację tego, jak bakterie z wód ściekowych mogą pobierać materiał plastikowy, degradować go, łamać i wykorzystywać jako źródło węgla.

Ta wiedza otwiera drzwi do nowych możliwości rozwoju opartych na bakteriach rozwiązań, które mogą pomóc w oczyszczaniu trudnych do usunięcia odpadów plastikowych, które nie tylko zanieczyszczają wodę, ale także szkodzą dzikim zwierzętom. Zrozumienie tych mechanizmów umożliwi rozwój rozwiązań biotechnologicznych, które mogą znacząco wpłynąć na rekultywację środowiska.

Zespół badawczy

Profesor Ludmilla Aristilde specjalizuje się w dynamice substancji organicznych w środowisku i pracuje w McCormick School of Engineering. Jest także członkiem kilku instytucji, w tym Centrum Biologii Syntetycznej oraz Międzynarodowego Instytutu Nanotechnologii. Współautorzy badania to Rebecca Wilkes, była doktorantka w laboratorium Aristilde, oraz Nanqing Zhou, obecny badacz podoktorski. Badanie to jest także wynikiem współpracy z wieloma byłymi i obecnymi studentami, którzy pracowali w zespole Aristilde.

Problem zanieczyszczenia plastikiem

Nowe badanie opiera się na wcześniejszych badaniach, które ujawniły mechanizmy pozwalające Comamonas testosteroni metabolizować proste węglowodany generowane w wyniku rozkładu roślin i plastiku. C. testosteroni rozwija się na poli(tereftalanie etylenu) (PET), rodzaju plastiku, który jest często wykorzystywany w opakowaniach spożywczych i butelkach na napoje. PET jest znany ze swojej odporności na rozkład, co czyni go istotnym czynnikiem zanieczyszczenia plastikiem.

Według Aristilde plastik PET stanowi około 12% całkowitego globalnego zużycia plastiku i odpowiada za nawet 50% mikroplastiku, który znajduje się w ściekach. Dlatego badania tych bakterii są niezwykle ważne dla zrozumienia i rozwiązania problemu zanieczyszczenia plastikiem.

Naturalna zdolność rozkładu plastiku

Aby lepiej zrozumieć interakcję C. testosteroni z plastikiem, Aristilde i jej zespół zastosowali różne teoretyczne i eksperymentalne podejścia. Najpierw hodowali bakterie na filmach PET i granulatach, obserwując zmiany na powierzchni materiału plastikowego w czasie. Ponadto analizowali wodę wokół bakterii, poszukując dowodów na rozkładany plastik w mniejszych rozmiarach nano. Badacze zbadali również wnętrze bakterii, aby zidentyfikować narzędzia, które wykorzystują do rozkładu PET.

W obecności bakterii mikroplastik rozkłada się na drobne nano-cząstki, a badacze odkryli, że ta bakteria posiada naturalną zdolność do rozkładu plastiku aż do monomerów, małych bloków budowlanych, które łączą się w polimery. Te małe składniki stanowią źródło dostępnego biologicznie węgla, który bakterie mogą wykorzystać do własnego wzrostu i rozwoju.

Kluczowy enzym

Aristilde była także zainteresowana badaniem, jak C. testosteroni rozkłada plastik. Korzystając z technik omicznych, które umożliwiają pomiar wszystkich enzymów w komórce, jej zespół zidentyfikował specyficzny enzym, który aktywuje się, gdy bakteria ma kontakt z plastikiem PET. Wspólnie z Oak Ridge National Laboratory w Tennessee badacze opracowali szczepy bakterii, które nie mają możliwości wydzielania tego enzymu. Co zaskakujące, bez tego enzymu zdolność bakterii do rozkładu plastiku została znacznie ograniczona.

Jak plastik zmienia się w wodzie

Oprócz tego, że to odkrycie można wykorzystać w rozwiązaniach ekologicznych, Aristilde podkreśla także znaczenie zrozumienia zmian, jakie plastik przechodzi w ściekach. Ścieki stanowią duży zbiornik mikroplastiku i nanoplastiku, a większość ludzi myśli, że te cząstki wchodzą do systemów oczyszczania w swoim ostatecznym kształcie. Badania pokazują jednak, że nanoplastik może się formować w trakcie procesu oczyszczania ścieków dzięki aktywności mikrobiologicznej.

Ta wiedza może pomóc lepiej zrozumieć zachowanie plastiku w miarę jego przemieszczania się z ścieków do rzek i jezior. Ważne jest, aby monitorować, jak plastik rozwija się w tych systemach, aby opracować strategie jego usunięcia i zmniejszyć jego wpływ na środowisko.

Źródło: Northwestern University