Encontrar microorganismos que puedan digerir plásticos a bajas temperaturas

Crédito: Foto de Nick Fewings en Unsplash

Algunos microorganismos producen enzimas que pueden digerir el plástico, pero hacer que estas enzimas funcionen a escala industrial generalmente requiere temperaturas superiores a 30 °C, lo cual es costoso. Los científicos del Instituto Federal Suizo WSL ahora han descubierto una serie de cepas bacterianas y fúngicas que pueden descomponer algunos plásticos biodegradables a temperaturas mucho más bajas. Recolectados de suelos a gran altura en los Alpes suizos y en las regiones polares, estos tipos de microorganismos adaptados al frío podrían hacer que los procesos enzimáticos a escala industrial para el reciclaje de plástico sean rentables.

"Aquí mostramos que los nuevos taxones microbianos obtenidos de la 'plastisfera' de los suelos alpinos y árticos pudieron descomponer los plásticos biodegradables a 15 °C", dijo Joel Rüthi, PhD, actualmente científico invitado en WSL. "Estos organismos podrían ayudar a reducir los costos y la carga ambiental de un proceso de reciclaje enzimático de plástico". Rüthi es el primer autor del artículo publicado por el equipo en Frontiers in Microbiology, que se titula "Descubrimiento de cepas microbianas que degradan plásticos aisladas de la plastisfera terrestre alpina y ártica". En su artículo, el equipo concluyó: "Nuestros resultados sugieren que los microorganismos de las regiones polares y alpinas altas son productores eficientes de enzimas que degradan el plástico y, por lo tanto, pueden contribuir a los esfuerzos futuros para una economía plástica circular respetuosa con el medio ambiente".

La producción mundial anual de plástico sigue aumentando rápidamente y alcanzó los 367 megatones en 2020, escribieron los autores. “La persistencia de los plásticos convencionales en el medio ambiente, el uso excesivo de plásticos de un solo uso y la mala gestión de los residuos están provocando un importante problema medioambiental”. Los enfoques mecánicos y químicos convencionales para la reutilización y el reciclaje tienen "algunas desventajas considerables", continuaron los investigadores. Los enfoques alternativos para una economía plástica más sostenible incluyen el uso de plásticos biodegradables y de base biológica, así como "estrategias de reciclaje novedosas que utilizan enzimas microbianas que degradan el plástico", sugirieron.

Encontrar, cultivar y bioingeniería de organismos que puedan digerir plásticos y ayudar a abordar la contaminación, ahora también es un gran negocio. Pero aunque ya se han encontrado varios microorganismos que pueden hacer esto, el calentamiento requerido para que sus enzimas funcionen significa que las aplicaciones industriales siguen siendo costosas y no son neutras en carbono.

Una posible solución es identificar microbios especializados adaptados al frío cuyas enzimas funcionen a temperaturas más bajas. "Sin embargo, el potencial de degradación del plástico de los microorganismos adaptados al frío rara vez se ha estudiado hasta ahora", afirmaron los científicos. Para su trabajo informado, Rüthi y sus colegas tomaron muestras de 19 cepas de bacterias y 15 cepas de hongos que crecen en plástico suelto o enterrado intencionalmente (mantenido en el suelo durante un año) en Groenlandia, Svalbard y Suiza. La mayor parte de la basura plástica de Svalbard se recolectó durante el Swiss Arctic Project 2018, donde los estudiantes hicieron trabajo de campo para presenciar los efectos del cambio climático de primera mano. El suelo de Suiza se había recogido en la cumbre del Muot da Barba Peider (2.979 m) y en el valle Val Lavirun, ambos en el cantón de los Grisones.

Los científicos dejaron crecer los microorganismos aislados como cultivos de una sola cepa en el laboratorio en la oscuridad ya 15 °C, y los identificaron mediante técnicas moleculares. Los resultados mostraron que las cepas bacterianas pertenecían a 13 géneros en los filos Actinobacteria y Proteobacteria, y las cepas fúngicas a 10 géneros en los filos Ascomycota y Mucoromycota.

Luego, los investigadores utilizaron un conjunto de ensayos para evaluar la capacidad de cada cepa para digerir muestras estériles de polietileno (PE) no biodegradable y poliéster-poliuretano (PUR) biodegradable, así como dos mezclas biodegradables disponibles comercialmente de tereftalato de adipato de polibutileno (PBAT). ) y ácido poliláctico (PLA).

Ninguna de las cepas microbianas pudo digerir el PE, incluso después de 126 días de incubación en estos plásticos. Pero 19 (56 %) de las cepas, incluidos 11 hongos y ocho bacterias, pudieron digerir PUR a 15 °C, mientras que 14 hongos y tres bacterias pudieron digerir las mezclas plásticas de PBAT y PLA. La resonancia magnética nuclear (RMN) y los ensayos basados ​​en fluorescencia confirmaron que estas cepas podían cortar los polímeros PBAT y PLA en moléculas más pequeñas.

"Fue muy sorprendente para nosotros encontrar que una gran fracción de las cepas probadas pudo degradar al menos uno de los plásticos probados", dijo Rüthi. "Se demostró, por primera vez, que varios taxones (p. ej., los géneros Collimonas, Kribbella, Lachnellula y Thelebolus) degradan los plásticos", afirmaron los científicos. "En particular, las cepas probadas degradaron el PUR disperso y las películas de poliéster ecovio® y BI-OPL a temperaturas más bajas (15 °C) que las cepas microbianas informadas anteriormente".

Los mejores resultados fueron dos especies de hongos no caracterizadas en los géneros Neodevriesia y Lachnellula. Estos microorganismos pudieron digerir todos los plásticos probados excepto el PE. "Las cepas fúngicas 800 (Neodevriesia sp.) y 943 (Lachnellula sp.) son candidatas prometedoras para futuros estudios, ya que degradaron todos los productos biodegradables probados, se demostró que reducen las masas de los componentes PBAT y PLA en las películas plásticas, e hidrolizó eficientemente el polímero PBAT puro", anotó el equipo.

Los resultados también mostraron que la capacidad de digerir plástico dependía del medio de cultivo para la mayoría de las cepas, y cada cepa reaccionaba de manera diferente a cada uno de los cuatro medios probados. "... demostramos que las condiciones de cultivo tienen una fuerte influencia en la degradación del plástico. Este hallazgo podría ayudar a optimizar las tasas de degradación logradas por las cepas microbianas y también puede tener consecuencias para la degradación del plástico en entornos naturales donde los contenidos de carbono y nutrientes son limitados, en particular en suelos oligotróficos árticos y de alta montaña". El equipo señaló además que es probable que las pruebas de detección de microorganismos que degradan el plástico solo detecten un subconjunto de las posibles cepas que degradan el plástico porque solo se prueban unas pocas condiciones, "mientras que algunas cepas pueden requerir condiciones muy específicas para expresar la degradación del plástico". enzimas".

Dado que los plásticos solo han existido desde la década de 1950, es casi seguro que la capacidad de degradar el plástico no era un rasgo originalmente objetivo de la selección natural. Entonces, ¿cómo evolucionó la capacidad de digerir plástico? "Se ha demostrado que los microbios producen una amplia variedad de enzimas que degradan polímeros involucradas en la descomposición de las paredes celulares de las plantas", dijo el coautor Beat Frey, PhD, científico principal y líder de grupo en WSL". -A menudo se informa que los hongos patógenos biodegradan los poliésteres, debido a su capacidad para producir cutinasas que se dirigen a los polímeros plásticos debido a su parecido con la cutina del polímero vegetal".

Rüthi y sus colegas solo probaron la digestión plástica a 15 °C, por lo que aún no conocen la temperatura óptima a la que funcionan las enzimas de estas exitosas cepas. "Pero sabemos que la mayoría de las cepas probadas pueden crecer bien entre 4°C y 20°C con un óptimo de alrededor de 15°C", dijo Frey. Y como concluyeron los autores en su artículo, "Este estudio amplía nuestro conocimiento sobre la degradación microbiana del plástico y proporciona una base para el descubrimiento futuro de enzimas activas en frío que degradan el plástico. Las cepas microbianas identificadas podrían servir como un recurso valioso para el desarrollo de enzimas eficientes". y reciclaje sostenible de desechos plásticos a temperaturas más bajas".

Frey agregó: "El próximo gran desafío será identificar las enzimas que degradan el plástico producidas por las cepas microbianas y optimizar el proceso para obtener grandes cantidades de proteínas. Además, podría ser necesario modificar más las enzimas para optimizar propiedades como estabilidad de la proteína". Los autores comentaron además: "Un método prometedor para optimizar la degradación del plástico podría implicar la identificación de los genes que codifican las enzimas responsables y la expresión heteróloga de estos genes en un huésped adecuado".

Ingrese para dejar un comentario