XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

В настоящее время загрязнение природы пластиком является одной из важнейших проблем. Использование пластика и загрязняющих веществ стало глобальной угрозой. Это оказало влияние, как на наземную, так и на морскую экосистему. Благодаря использованию пластика для комфорта нашего образа жизни и отсутствие его надлежащей утилизации привело к загрязнению природы.

Недавно исследователи из Японии выделили бактерии, поедающие пластик, известные как Ideonella sakaiensis. Они были обнаружены в префектуре Осака, городе Сакаи группой исследователей под руководством Кохеи Ода из Киотского технологического института и Кенджи Миямото из Университета Кейо. Образцы были взяты из загрязненного полиэтилентерефталатом (ПЭТ) осадка возле завода по переработке пластиковых бутылок в Японии.

Эти бактерии могут использовать пластиковый ПЭТ в качестве единственного источника углерода и энергии. Они были выделены из образца осадка за пределами установки по переработке пластиковых бутылок. Активность разложения ПЭТ оценивали визуально на основе изменения прозрачности пленки в результате ее разложения [5].

Ideonella sakaiensis являются аэробными бактериями, грамотрицательными, стержневой формы, неспорообразующими, подвижными (имеют один жгутик), реакция у них на каталазу и оксидазу положительная, растут при показаниях рН 5,5-9,0 (оптимально 7-7,5), температуры 15-42 градусов по Цельсию (оптимально 30-37) на поверхности ПЭТ в сообществе с другими клетками I.sakaiensis с помощью тонких отростков. Образуют колонии круглые, гладкие, непигментированные или кремовые, приподнятые, полупрозрачные, с краем 0,5-1,0 мм в диаметре после инкубации при 30 градусах по Цельсию на агаровой среде в течение 2 дней [4].

ПЭТ является линейным термопластичным полиэфиром, производится из диметилтерефталата (ДМТ) или терефталевой кислоты (ТФК) и этиленгликоля (ЭГ). Для его переработки используются различные методы. Механическая переработка позволяет сделать вторичный ПЭТ и использовать его повторно. Пиролиз ПЭТ при 550⁰С позволяет сделать топливо и сырье для нефтехимической промышленности. Данный метод является чувствительным, так как при попадании поливинилхлорида ухудшаются свойства вторичного ПЭТ. При химическом рециклинге ПЭТ, взаимодействуя с химическими веществами: метанолом, этиленгликолем, кислотами и щелочами, подвергается деполимеризации. Однако этот метод энергоемкий и требует высокотехнологичного оборудования [1].

Бактерии I.sakaiensis способны гидролизовать полиэтилентерефталат с помощью фермента ПЭТ-азы и МЭТ-азы. Эти бактерии, выделенные из осадка, были выращены на пленке из ПЭТ, которую они полностью разрушали в течение 6 недель путем секреции ферментов, разрушающих пластик [7]. Происходит процесс разрушения в две стадии. На первой стадии полимер под действием фермента ПЭТ-азы превращается в моногидроксиэтиловый эфир терефталевой кислоты. На второй стадии происходит разложение мономера до терефталевой кислоты и этиленгликоля с помощью фермента МЭТ-азы. ПЭТ-аза превращает ПЭТ в моно-2-гидроксиэтил терефталатной кислоты (MHET), терефталат (TPA) и бис-2-гидроксиэтил TPA (PHET). Затем MHET-аза превращает MHET в этиленгликоль и ТPА. Образующиеся продукты могут быть легко разрушены другими микроорганизмами до CO₂ и воды [3].

Тем не менее, среда обитания этих бактерий очень ограничена. С помощью технологии генной инженерии гены Ideonella sakaiensis могут быть модифицированы генами Azotobacter sp., что позволит им выживать в почве и воде районов, богатых пластиковыми отходами. Такая комбинация генов оптимизирует способность Ideonella saikaiensis, поскольку она устраняет ограничения по месту обитания бактерий. В результате проблема пластиковых отходов может быть эффективно решена без ущерба для окружающей среды [6].

Таким образом, интенсивное использование ПЭТ приводит к целому ряду проблем, связанных с экологией и здоровьем, и ферментативная деградация ПЭТ может быть перспективным решением. Методы переработки ПЭТ с помощью физических или химических процессов потребляют много энергетических ресурсов и часто приводят к образованию вредных побочных продуктов. Бактерии Ideonella sakaiensis в дальнейшем могут быть широко использованы в биоремедиации. Биоремедиация — это комплекс методов очистки почв и вод, основанных на использовании биохимического потенциала микроорганизмов (бактерий, грибов), водорослей, высших растений. Преимущество данной технологии заключается в безопасном очищении окружающей среды [2]. В отличие от других методов, биоремедиация основана на процессах самоочищения природы, при которых не образуются вторичные отходы.

Из всех ферментов, разлагающих ПЭТ, ПЭТ-аза, продуцируемая Ideonеlla sakaiensis, обладает самой высокой активностью разложения в мягких условиях. При этом разрушается не только ПЭТ, но и другие виды пластика, такие как полиэтилен, полипропилен и ПВХ. Можно надеяться, что с использованием генной инженерии ферментами можно будет управлять, и их производство будет осуществляться в больших масштабах. Дальнейшие исследования могут быть проведены в отношении ферментов разлагающих пластик, отличный от ПЭТ.

Список литературы:

Керницкий В.И., Жир Н.А. Переработка отходов полиэтилентерефталатов. Полимерные материалы, 2014 - №8 - c.11-21.

Янкевич М.И., Хадеева В.В., Мурыгина В.П. Биоремедиация почв: вчера, сегодня, завтра. Междисциплинарный научный и прикладной журнал «Биосфера», 2015-Т.7- №2- c. 199-207.

Gottfried J. Palm, Lukas Reisky, Dominique Böttcher, Henrik Müller, Emil A.P. Michels, Miriam C. Walczak, Leona Berndt, Manfred S. Weiss, Uwe T. Bornscheuer & Gert Weber . Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate. [Электронный ресурс]:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09326-3

Sushmita Baniya. Ideonella sakaiensis - Plastic eating bacteria, 2021. [Электронныйресурс]:

https://thebiologynotes.com/ideonella-sakaiensis-plastic-eating-bacteria/

Shosuke Yoshida, Kazumi Hiraga, Toshihiko Takehana, Ikuo Taniguchi, Hironao Yamaji, Yasuhito Maeda, Kiyotsuna Toyohara, Kenji Miyamoto, Yoshiharu Kimura,Kohei Oda. Supplementary Materials for A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate) Science, 2016 – c. 351, 1196.

Genetic Engineered Ideonella Sakaiensis Bacteria: A Solution of the Legendary Plastic Waste Problem [Электронныйресурс]:

https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=3194556

S.C. Gall, R.C. Thompson. The impact of debris on marine life - Mar. Pollut. Bull., 2015, с. 170-179.