Необходимость нагрева означает, что промышленное применение остаётся дорогостоящим и поныне, а также не попадает в тренд углеродной нейтральности. Возможное решение проблемы ؙ— найти привычных к холоду микробов, чьи ферменты работают при более низких температурах.
Учёные из Швейцарского федерального института WSL знали, где искать кандидатов: на больших высотах в Альпах или в полярных регионах. Результаты успешных поисков опубликованы в журнале Frontiers in Microbiology («Рубежи в микробиологии»).
Здесь мы показываем, что новые микробные таксоны, полученные из пластисферы альпийских и арктических почв, были способны расщеплять биоразлагаемый пластик при 15 °C. Эти организмы могли бы помочь снизить затраты и нагрузку на окружающую среду, связанные с ферментативным процессом переработки пластика
— Джоэл Рюти, первый автор научной работы.
Поясним, что термин «пластисфера» придумали не так давно, в 2013 году. Так решили называть новую экосистему, которая возникла из микроорганизмов на поверхности пластикового мусора. А «штамм», упоминаемый далее не раз, — это генетически однородная культура того или иного вида микроорганизмов. А «ферментами» (от латинского fermentum «закваска») называют обычно сложные белковые соединения, ускоряющие химические реакции в живых системах.
Рюти и его коллеги отобрали в Гренландии, на Шпицбергене и в Швейцарии образцы 19 штаммов бактерий и 15 грибков, растущих на пластике. При этом выбирали как свободно лежащий пластик, так и специально зарытый год тому назад. Большую часть пластикового мусора со Шпицбергена собрали во время Швейцарского арктического проекта в 2018-м. Тогда студенты проводили полевые работы, чтобы воочию убедиться в последствиях изменения климата. Почву из Швейцарии собрали на вершинах в кантоне Граубюнден.
Учёные позволили изолированным микробам расти в виде культур одного штамма в лаборатории в темноте при 15 °C, используя молекулярные методы для их «опознания». Результаты показали, что бактериальные штаммы принадлежали к 13 родам Actinobacteria и Proteobacteria, а грибы — к 10 родам Ascomycota и Mucoromycota.
Затем микробиологи использовали набор анализов для скрининга каждого штамма на предмет его способности переваривать стерильные образцы нескольких пластиков: неразлагаемого микроорганизмами полиэтилена (PE), биоразлагаемого полиэфирполиуретана (PUR), а также две коммерчески доступные биоразлагаемые смеси полибутиленадипаттерефталата (PBAT) и полимолочной кислоты (PLA).
Ни один из штаммов не смог переварить полиэтилен даже за 126 дней наблюдений. Но 56% штаммов, включая 11 грибков и восемь бактерий, были способны переваривать полиуретан при 15 °C. А тем временем 14 грибков и три бактерии смогли переваривать пластиковые смеси PBAT и PLA. Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) и анализ на основе флуоресценции подтвердили, что эти штаммы были способны измельчать полимеры PBAT и PLA на более мелкие молекулы. Итак, большая часть протестированных штаммов была способна разлагать по крайней мере один из протестированных пластиков.
Лучшие результаты показали два нехарактерных вида грибков из родов Neodevriesia и Lachnellula. Они могут переваривать все протестированные пластмассы, кроме полиэтилена. Результаты также показали, что способность переваривать пластик зависела от питательной среды для большинства штаммов, причём каждый штамм по-разному реагировал на каждую из четырёх протестированных сред.
Как эволюционировала способность переваривать пластик? Поскольку пластмассы появились только с 1950-х годов, способность разлагать их не была чертой, заданной естественным отбором. Соавтор работы Бит Фрей, старший научный сотрудник и руководитель группы в WSL, рассказал, что микробы вырабатывают широкий спектр ферментов, разлагающих полимеры. Обычно такие ферменты участвуют в разрушении клеточных стенок растений. В частности, вредные для растений грибки разлагают полиэфиры из-за их способности вырабатывать кутиназы, которые воздействуют на пластиковые полимеры из-за их сходства с растительным полимером кутин.
Поскольку Джоэл Рюти с коллегами испытывали образцы на переваривание только при 15 °C, они пока не знают оптимальной температуры, при которой работают ферменты успешных штаммов. Но уже знают, что большинство протестированных штаммов могут хорошо расти при температуре от 4 °C до 20 °C. Но температура около 15 °C всё же оптимальна.
Следующая большая задача для коллектива микробиологов — выявить именно ферменты, разлагающие пластик, из штаммов микроорганизмов. А затем на очереди — оптимизация процесса для получения большого количества веществ. Кроме того, может потребоваться дальнейшая модификация ферментов для улучшения их свойств.
