Совместная работа позволяет бактериям перерабатывать сложные пластиковые отходы

Фото из открытых источников

Три вида бактерий в сочетании способны расщеплять диэтилфталат ПАЭ, важный компонент пластикового загрязнения. Однако ни один из этих трех видов не может сделать то же самое в одиночку с этим пластификатором, что оказалось сложной задачей и для других бактерий, питающихся пластиком. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Microbiology.

Пластиковый кризис подтолкнул к поиску организмов, способных безопасно разлагать различные виды искусственных материалов, загрязняющих в настоящее время землю и воду. В настоящее время широко используется так много разных видов пластика, что неудивительно, что некоторые из них оказались более восприимчивыми к биологическому разложению, чем другие. Однако возможно, что поиск был затруднен сосредоточением внимания на поиске конкретной бактерии, способной разрывать связи каждого типа пластика, вместо поиска группы бактерий, способных выполнять эту работу совместно.

Кристиан Эберлейн и его коллеги из Центра экологических исследований им. Гельмгольца решили, что вместо поиска бактерий, поедающих пластик, в экстремальных местах, таких как гидротермальные источники, им следует изучить, что колонизирует эти материалы в их собственной лаборатории. Они обнаружили биопленку, растущую на полиуретановых трубках в биореакторе лаборатории, и поместили образец в инкубатор, используя в качестве питательной среды диэтилфталат (ДЭФ). ДЭФ добавляют во многие распространенные виды пластика, чтобы сделать их более гибкими, но он просачивается в окружающую среду и может нанести вред животным, которые его потребляют.

Поначалу микробам было трудно, но после того, как команда неоднократно перемещала клетки из одной культуры в другую, они в конечном итоге сформировали сообщество, способное поглотить весь ДЭП в образцах в течение 24 часов при нагревании до 30°C.

Секвенирование ДНК выявило двух представителей рода Pseudomonas (putida и fluorescens), а также ранее неизвестный вид Microbacterium. После выделения ни один из видов бактерий не смог самостоятельно поглотить DEP ни в каких условиях, которые опробовала команда.

Группа исследователей представила доказательства того, что микробактерия расщепляет ДЭП на молекулы, которые служат питательными веществами для других бактерий — процесс, известный как перекрестное питание. Ферменты, используемые бактериями в этом процессе, ранее не были идентифицированы.

Подобное взаимодействие бактерий наблюдалось в давно существующих экосистемах, но не при питании пластиком, с которым ни одна из этих трех бактерий не могла столкнуться до прошлого столетия. 

«Здесь мы демонстрируем разложение различных фталатэстеров (ФАЭ) благодаря совместной активности нескольких штаммов бактерий», — говорится в заявлении Эберлейна. 

Однако примечательно, что как только концентрация ДЭП превысила почти 1 грамм на литр, он начал убивать микробы, а не питать их, что служит предупреждением о том, какое воздействие он может оказать на другие, более сложные организмы.

Группа исследователей, занимающаяся изучением людей, начала работу со своими коллегами-микробиологами, используя диэтилфталат (DEP), поскольку он применяется в качестве модельного пластика при изучении фталатэфирных пластификаторов. Однако они с воодушевлением обнаружили, что та же комбинация может справиться с тремя распространенными фталатэфирами: диметилфталатом, дипропилфталатом и дибутилфталатом. 

«Широкий спектр субстратов повышает потенциальную ценность консорциума для биотехнологических и экологических применений, поскольку он способен разлагать множество ПАЭ, обычно встречающихся в качестве пластификаторов в загрязненных средах», — пишут они.

Скорость эволюции бактерий привела к кризису устойчивости к антибиотикам, но иногда это играет нам на руку. Тем не менее, эта способность коллективно расщеплять ПАЭ не возникла из ниоткуда. 

Эберлейн сказал, что, вероятно, «первоначальные реакции основаны на существовавших ранее ферментах, которые изначально эволюционировали для расщепления природных молекул, содержащих сложноэфирные связи. С тех пор постоянное загрязнение природы фталатами, по-видимому, создало сильное эволюционное давление, заставив микробы адаптироваться и разработать более специализированные ферменты, способные расщеплять фталаты гораздо эффективнее».

Человечество могло бы обеспечить этой тройке еще большую эволюционную выгоду, если бы нашло способ доставить их в места скопления пластикового загрязнения. 

«Следующим шагом станет тестирование нашего нового консорциума на реальных образцах сточных вод, содержащих микропластик, для оценки его способности удалять ПАЭ. Введение этих бактерий в загрязненную природную среду, процесс, известный как биоусиление, потенциально может помочь снизить загрязнение ПАЭ в реальных условиях», — сказал Герман Хайпипер.

Даже если это сработает, полученные результаты далеки от универсального решения проблемы пластикового загрязнения. Авторам не удалось заставить бактериальное сообщество расщеплять полиэтилен или полипропилен, к которым часто добавляют ПАЭ (полиэфиры), и которые имеют неэфирные связи, которые ни один из этих ферментов не может разорвать. 

Однако, учитывая подозрения, что ПАЭ более токсичны, чем пластмассы, из которых они выделяются, их разложение стало бы отличным первым шагом.

В долгосрочной перспективе эта работа предполагает, что если мы сможем найти или генетически модифицировать способность разлагать неэфирные связи, то для этого все равно может потребоваться поддержка других видов бактерий. Можно представить, что для борьбы со всеми распространенными пластиковыми загрязнителями может потребоваться, скажем, еще восемь видов бактерий, и тогда спасение морской среды останется прерогативой «одиннадцати видов».