Бактерии из сточных вод могут разлагать пластик для получения пищи

Исследователи давно заметили, что распространенное семейство экологических бактерий  Comamonadacae растет на пластике, засоряющем городские реки и системы сточных вод. Но что именно делают эти  бактерии Comamonas, оставалось загадкой.

Теперь исследователи из Северо-Западного университета обнаружили, как клетки бактерии  Comamonas  расщепляют пластик для получения пищи. Сначала они пережевывают пластик на мелкие кусочки, называемые нанопластиком. Затем они выделяют специализированный фермент, который расщепляет пластик еще больше. Наконец, бактерии используют кольцо атомов углерода из пластика в качестве источника пищи, обнаружили исследователи.

Это открытие открывает новые возможности для разработки инженерных решений на основе бактерий, которые помогут очистить трудноудаляемые пластиковые отходы, загрязняющие питьевую воду и наносящие вред дикой природе.

Исследование опубликовано в журнале Environmental Science & Technology.

«Мы впервые систематически показали, что бактерия из сточных вод может взять исходный пластиковый материал, испортить его, фрагментировать, разбить на части и использовать в качестве источника углерода», — сказала Людмила Аристилде из Northwestern, которая руководила исследованием. «Удивительно, что эта бактерия может выполнять весь этот процесс, и мы определили ключевой фермент, отвечающий за разложение пластиковых материалов. Это можно оптимизировать и использовать, чтобы помочь избавиться от пластика в окружающей среде».

Новое исследование основывается на  предыдущих исследованиях команды Аристилде , которые раскрыли механизмы, позволяющие  Comamonas testosteri  метаболизировать простые углероды, образующиеся из разложившихся растений и пластика. В новом исследовании Аристилде и ее команда снова обратились к  C. testosteroni , который растет на полиэтилентерефталате (ПЭТ), типе пластика, обычно используемом в упаковке пищевых продуктов и бутылках для напитков. Поскольку он не разлагается легко, ПЭТ является основным источником загрязнения пластиком.

«Важно отметить, что ПЭТ-пластик составляет 12% от общего мирового потребления пластика», — сказал Аристилде. «И на его долю приходится до 50% микропластика в сточных водах».

Чтобы лучше понять, как  C. testosteroni  взаимодействует с пластиком и питается им, Аристилда и ее команда использовали несколько теоретических и экспериментальных подходов. Сначала они взяли бактерию, изолированную из сточных вод, и вырастили ее на пленках и гранулах ПЭТ. Затем они использовали расширенную микроскопию, чтобы наблюдать, как поверхность пластикового материала меняется с течением времени. Затем они исследовали воду вокруг бактерий, ища доказательства того, что пластик разложился на более мелкие наноразмерные части. И, наконец, исследователи заглянули внутрь бактерий, чтобы определить инструменты, которые бактерии использовали для разложения ПЭТ.

«В присутствии бактерии микропластик распался на крошечные наночастицы пластика», — сказала Аристилде. «Мы обнаружили, что бактерия сточных вод обладает врожденной способностью разлагать пластик вплоть до мономеров, небольших строительных блоков, которые соединяются вместе, образуя полимеры. Эти небольшие единицы являются биодоступным источником углерода, который бактерии могут использовать для роста».

После подтверждения того, что  C. testosteroni действительно может разлагать пластик, Аристилде захотела узнать, как это сделать. С помощью методов омики, которые могут измерять все ферменты внутри клетки, ее команда обнаружила один конкретный фермент, который бактерия экспрессировала при воздействии ПЭТ-пластика. Чтобы глубже изучить роль этого фермента, Аристилде попросила коллег из Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннесси подготовить бактериальные клетки без способности экспрессировать фермент. Примечательно, что без этого фермента способность бактерий разлагать пластик была утрачена или значительно снижена.

Хотя Аристилда предполагает, что это открытие потенциально можно использовать для решения экологических проблем, она также утверждает, что эти новые знания могут помочь людям лучше понять, как пластик превращается в сточные воды.

«Сточные воды — это огромный резервуар микропластика и нанопластика», — сказала Аристилде. «Большинство людей думают, что нанопластик попадает на очистные сооружения как нанопластик. Но мы показываем, что нанопластик может образовываться во время очистки сточных вод в результате микробной активности. Это то, на что нам нужно обратить внимание, поскольку наше общество пытается понять поведение пластика на протяжении всего его пути от сточных вод до принимающих рек и озер».