Abfallkolonien produzieren Bakterien mit drei Enzymen, die Polyester abbauen können

31. August 2023

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von Linda Stewart, Brunel University

Wissenschaftler haben expandierten Polystyrolabfall von einem Strand in Irland angereichert, um ein Bakterium zu isolieren, das nachweislich drei Enzyme enthält, die Polyester abbauen können.

Das Team der Brunel University London untersucht Mikroorganismen, die Plastik abbauen können, in der Hoffnung, dass die Mikroorganismen oder ihre Plastik abbauenden Enzyme zur Bewältigung des wachsenden Plastikmüllproblems eingesetzt werden können.

Ihre Forschungsarbeit „Enrichment of native plastic‐associated biofilm Communities to Enhance Polyester Degrading Activity“ wurde in der Zeitschrift Environmental Microbiology veröffentlicht.

„Wenn Mikroorganismen Plastik abbauen können, das nicht recycelt werden kann, wird dies die Menge an Plastik reduzieren, die verbrannt und auf Deponien abgelagert wird“, sagte der korrespondierende Autor Dr. Ronan McCarthy.

„Viele der bekannten Kunststoff abbauenden Mikroorganismen und Enzyme haben von Natur aus eine geringe Effizienz, daher müssen wir Organismen mit höherer Effizienz auswählen oder die Enzyme so konstruieren, dass sie besser funktionieren. Wir haben herausgefunden, dass einheimische Kunststoffabfallgemeinschaften für Gemeinschaften mit besserer Effizienz bereichert werden können.“ Abbauaktivität durch unser Anreicherungsexperiment.

„Diese Methode kann auf jeden Kunststoffabfall angewendet werden und die Bedingungen des Anreicherungsexperiments können angepasst werden, um die Isolierung von Bakterien zu optimieren, die für die industrielle Batch-Kultur geeignet sind. Wir haben außerdem drei mutmaßliche Enzyme identifiziert, die am Polyesterabbau beteiligt sein könnten.“

Das Team sammelte einheimische Bakteriengemeinschaften aus Plastikabfällen aus der Umwelt und führte dann ein Anreicherungsexperiment durch, um Gemeinschaften zu finden, die über verbesserte Fähigkeiten zum Plastikabbau verfügten, nachdem sie nur den Plastikmüll als Kohlenstoffquelle hatten.

Sie beobachteten eine Veränderung in der Zusammensetzung der Gemeinschaft und identifizierten einen Stamm von Pseudomonas stutzeri, der über drei mutmaßliche Enzyme verfügte, die beim Polyesterabbau eine Rolle spielen könnten.

„Plastikmüll ist weltweit ein zunehmendes Problem, für dessen Bewältigung die großen Mengen nur begrenzte umweltfreundliche oder nachhaltige Lösungen bieten“, sagte Dr. McCarthy.

„Während Recycling für einige Kunststoffe ein zweites Leben bieten kann, sind nicht alle Kunststoffarten leicht zu recyceln und Kunststoff kann nur wenige Male recycelt werden. Nur 9 % aller Kunststoffabfälle wurden recycelt.“

„Kunststoff, der nicht recycelt werden kann, wird verbrannt oder auf Deponien entsorgt. Eine umweltfreundlichere Lösung könnte jedoch darin bestehen, den Kunststoff mithilfe von Mikroorganismen abzubauen. Die Abbauprodukte können dann in verschiedenen Industrien oder sogar zur Herstellung von neuem Kunststoff verwendet werden.“

„Wir wollten neue Bakterien finden, die Plastik abbauen können, insbesondere wollten wir sie aus Plastikabfällen in der Umwelt sammeln, um die Chancen zu erhöhen, dass sie es abbauen können.“

„Wir wollten die einheimische Gemeinschaft nicht nur vom Plastikabfall isolieren, sondern wir wollten ihn auch verbessern, da die Aktivität des natürlichen Plastikabbaus tendenziell zu langsam und ineffizient für eine Anwendung in der Industrie ist.“

Ziel war es, einheimische Bakteriengemeinschaften aus Plastikabfällen zu isolieren und zu charakterisieren. Im Labor stellte das Team fest, dass expandiertes Polystyrol die Bildung von Biofilmgemeinschaften für die meisten Bakterien fördert.

Dies könnte daran liegen, dass expandiertes Polystyrol voller Luftlöcher ist und im Meer schwimmt, sodass sich viele Bakterien daran festsetzen und vor Witterungseinflüssen geschützt sind.

„Da wir einheimische Gemeinschaften sammeln wollten, die mit Plastik in Verbindung stehen, suchten wir nach Abfällen aus expandiertem Polystyrol, um die Anzahl der vorhandenen Bakterien zu erhöhen. Wir sammelten Abfälle aus expandiertem Polystyrol an einem Strand in Irland und brachten sie zurück ins Labor in London“, sagte Dr. McCarthy sagte.

„Wir haben ein Anreicherungsexperiment durchgeführt, bei dem wir jedes Stück expandiertes Polystyrol in zwei Teile geteilt haben. Eine Hälfte wurde über Nacht in einer reichhaltigen Brühe gezüchtet, um die ursprünglich isolierte Bakteriengemeinschaft zu sammeln. Das zweite Stück wurde fast zwei Monate lang in einer Brühe ohne solche inkubiert Kohlenstoffquelle für das Wachstum der Bakterien, mit Ausnahme des Plastikmülls selbst, um die Bakteriengemeinschaft für diejenigen Arten zu bereichern, die nur mit dem Plastikmüll zur Energiegewinnung überleben und wachsen können.

Nach dem Anreicherungsexperiment sammelten die Forscher die angereicherte Gemeinschaft aus der Brühe und testeten ihre Fähigkeit zum Plastikabbau. Sie verglichen zunächst, wie die ursprüngliche und die angereicherte Gemeinschaft Polycaprolacton (PCL) abbauen könnten, das ein Modell für den Polyesterabbau ist.

Sieben der angereicherten Gemeinschaften waren in der Lage, PCL abzubauen, und zwar besser als die ursprüngliche Gemeinschaft – in den meisten Fällen zeigte die ursprüngliche Gemeinschaft keine Anzeichen dafür, dass sie PCL abbauen konnte.

Beim Vergleich eines bestimmten Satzes, PS13, baute die ursprüngliche Gemeinschaft PCL nur schwach ab, doch beim Test auf der Ebene einzelner Kolonien konnten nur 4,8 % der Kolonien PCL nach drei Tagen abbauen, während die angereicherte Gemeinschaft PCL stark abbaute und dies bei 94,7 % der Kolonien der Fall war PCL nach drei Tagen abbauen.

„Wir haben PS13 weiter untersucht – die Gemeinschaftssequenzierung ergab, dass die ursprüngliche Gemeinschaft recht vielfältig war, während die angereicherte Gemeinschaft überwiegend aus Pseudomonas stutzeri bestand“, sagte Dr. McCarthy.

„Wir haben aus jeder der sieben PCL-abbauenden angereicherten Gemeinschaften eine starke PCL-abbauende Kolonie isoliert. Bei sechs davon handelte es sich ebenfalls um Pseudomonas stutzeri – obwohl es sich bei allen um verschiedene Stämme mit unterschiedlichen Phänotypen handelt, sind sie eng miteinander verwandt.“

„Bei der siebten handelte es sich um eine Bacillus-Spezies, die im Gegensatz zu Pseudomonas stutzeri recht bekannte Kunststoffabbauer sind. Wir fanden heraus, dass PS13 Pseudomonas stutzeri unter Verwendung von PCL als einziger Kohlenstoffquelle wachsen konnte, und führten eine Sequenzierung des gesamten Genoms dieses Stamms durch.“

„Die Sequenzierung ergab, dass dieser Stamm drei mutmaßliche Enzyme mit ähnlichen Sequenzen wie bekannte Polyester- und PET-abbauende Enzyme enthielt. Insbesondere PsP1 passte sehr gut zu PmC, was darauf hindeutet, dass es sich hierbei um ein neuartiges Polyester-abbauendes Enzym handeln könnte.“

Dr. McCarthy sagte, es sei überraschend, dass so viele der angereicherten Gemeinschaften bei Pseudomonas stutzeri dominant seien.

„Das Vorhandensein dieser Polyester abbauenden Enzyme wurde bei Pseudomonas stutzeri bisher nicht beschrieben. Es kommt auch relativ selten vor, dass ein einziges Bakterium ein PETase- und ein MHETase-Enzym aufweist“, sagte er.

Zukünftige Studien könnten sich darauf konzentrieren, dasselbe Anreicherungsexperiment an verschiedenen Plastikabfallproben durchzuführen, um neue Bakterienarten zu identifizieren, die verschiedene Arten von Plastik abbauen können.

„Es bietet eine vielversprechende Möglichkeit zur Anreicherung von Arten, die auf Plastikmüll gedeihen können. Je mehr Bakterien wir finden, die in der Lage sind, vielfältigeres Plastik abzubauen, desto bessere Möglichkeiten haben wir für industrielle Anwendungen von Mikroorganismen zum Abbau von Plastikmüll“, sagt Dr. McCarthy sagte.

„Die drei mutmaßlichen Enzyme, die wir gefunden haben, werden weiter untersucht, um zu bestätigen, ob sie gegen Polyester aktiv sind. Wenn dies der Fall ist, könnten sie zum Repertoire bekannter plastikabbauender Enzyme hinzugefügt werden, die so konstruiert werden könnten, dass sie eine noch bessere Aktivität haben.“

Mehr Informationen: Sophie A. Howard et al., Anreicherung nativer plastikassoziierter Biofilmgemeinschaften zur Steigerung der Polyesterabbauaktivität, Environmental Microbiology (2023). DOI: 10.1111/1462-2920.16466

Zeitschrifteninformationen:Umweltmikrobiologie

Zur Verfügung gestellt von der Brunel University