Микробное разрушение пластмасс (аннотация)
Накопление неуправляемых пластиковых отходов в природных средах представляет серьезную угрозу для наших океанов, дикой природы и здоровья человека.
Поскольку глобальный спрос на пластик постоянно растет, тенденция выброса пластика в открытую среду вряд ли уменьшится до 2030 года, если не будут немедленно радикально изменены основные направления политики, потребительское поведение и меры по утилизации отходов, связанных с пластиковыми изделиями.
В то время как абиотическая деградация окружающей среды вносит значительный вклад в разрушение крупных пластиковых отходов, приводящее к загрязнению микро- и нанопластиком, роль микроорганизмов в деградации пластика в естественных условиях все еще плохо изучена. В последние годы появились сообщения о том, что различные микроорганизмы способны деполимеризовать синтетические полимеры в лабораторных условиях (Wierckx et al., 2018). Тем не менее, степень и скорость микробной деградации традиционных пластмасс на основе нефти, таких как полиэтилен и полистирол, может значительно отличаться от биоразлагаемых полиэфиров, таких как полимолочная кислота (PLA). Микробная биотехнология неоднократно предлагалась в качестве варианта устойчивого подхода к утилизации пластиковых отходов, хотя реальность и перспективность биотехнологических методов переработки еще не получила однозначного объяснения среди научных сообществ, конечных потребителей пластика и политиков.
В ответ на быстро растущий интерес к этой области исследований мы смогли собрать несколько высококачественных материалов, основанных как на оригинальных исследованиях, так и на обзоре литературы, представленных учеными со всего мира.
Ru и др. представили всеобъемлющий обзор микроорганизмов и ферментов, способных разлагать массово производимые рекальцитантные нефтехимические пластмассы, о которых сообщалось с 1970-х годов. Хотя было показано, что ПЭ и ПС разлагаются несколькими микроорганизмами, хотя и очень медленно, ключевые деполимеразы, участвующие в разрушении углерод-углеродной основы, до сих пор неизвестны. Для лучшего понимания ферментативной деградации виниловых полимеров Xu и др. провели расчеты квантового механизма для моделирования расщепления углерод-углеродной связи в положении С в кислых и щелочных условиях.
Микробные сообщества являются ценным источником ферментов, способных разлагать синтетические полимеры. Pinnell и Turner сообщили о дробном метагеномном секвенировании биопленок, загрязняющих полиэтилентерефталат (PET), полигидроксиалканоат (PHA) и керамику, размещенных на границе осадка и воды в прибрежной лагуне. В то время как биопленки из PET были неотличимы от контрольной керамической биопленки, биопленки из биопластика PHA отличались доминирующим присутствием сульфатредуцирующих микроорганизмов (SRM) и значительным обогащением филогенетически разнообразных деполимераз полигидроксибутирата (PHB). Их результаты показывают, что пластисферные SRM играют важную роль в биодеградации PHA.
Gaytán и др. изучали активность разложения полиуретана смешанной культурой микроорганизмов свалки, которая может расти на водной дисперсии полиуретана в качестве единственного источника углерода. Физиохимические анализы показали расщепление различных функциональных групп в полимерах. Наряду с метагеномным анализом были предложены предварительные пути микробной деградации полиуретана.
Weinberger и др. культивировали библиотеку грибов с алифатическими и ароматическими полиэфирами, что привело к идентификации новых штаммов, продуцирующих ферменты, гидролизующие полиэфиры. Этот метод позволит изучить имеющееся разнообразие грибов и тем самым расширить спектр ферментов-кандидатов для переработки пластика. Растущий коммерческий спрос на биоразлагаемые пластмассы, такие как PLA, требует также экологически чистых методов утилизации с использованием микроорганизмов. Обобщая результаты исследований по деградации PLA актинобактериями с 1997 года, Pseudonocardiaceae были определены как наиболее важное семейство. Более того, эстеразы и протеазы, обнаруженные у различных актинобактерий, способных разлагать PLA, будут иметь перспективы для будущего применения в утилизации отходов биопластика.
В последнее десятилетие многие исследования были посвящены ферментативной деградации PET. Bollinger и др. сообщили о выяснении структуры в высоком разрешении и функциональной характеристике нового фермента гидролиза PET (PE-H), идентифицированного в геноме морской бактерии Pseudomonas aestusnigri. Было показано, что PE-H разлагает аморфный PET при 30°C. С помощью структурного моделирования и мутагенеза был создан вариант Y250S, демонстрирующий повышенную гидролитическую активность PET в результате перестройки конформации активного сайта, что позволило получить новые знания о структурных особенностях, необходимых для эффективной деградации полиэфира.
Основываясь на предыдущих сообщениях о подвижности полимерной цепи PET, связанной с ферментативной деградацией, Falkenstein и др. могли оценить целесообразность использования УФ-излучения в качестве потенциального метода предварительной обработки для стимулирования последующей биокаталитической деполимеризации PET. Хотя УФ-обработка вызвала значительное расщепление цепей в поверхностном слое аморфных пленок PET, полученная в результате повышенная поверхностная кристалличность резко снизила эффективность ферментативной деградации.
Поскольку инженерные цельноклеточные катализаторы недавно рассматривались с большим потенциалом для деградации пластика, микробный метаболизм пластиковых мономеров и добавок станет предметом исследований как в контексте экологической деградации пластикового загрязнения, так и в контексте биотехнологической переработки пластика, т.е. использования пластиковых гидролизатов в качестве сырья для микробного производства химических веществ с высокой стоимостью.
Carstens и др. охарактеризовали биотрансформацию фталатных эфиров, повсеместно используемых в качестве пластификаторов, морскими, пресноводными и наземными грибами. Это исследование указывает на важную роль грибов в экологической биодеградации сложных молекул, полученных из пластика.
В целом, эти научные работы консолидируют и расширяют наши знания о последних достижениях в этой очень активной области исследований. Мы искренне надеемся, что наша тема вдохновит и побудит других ученых внести свой собственный вклад в решение глобальной проблемы, вызванной загрязнением пластиком.
