科学家在阿尔卑斯山和北极地区发现可在低温下消化塑料的微生物

2023年05月29日 15:51 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

寻找、培养和生物工程能够消化塑料的生物体,不仅有助于消除污染,而且现在也是大生意。已经发现了一些能够做到这一点的微生物,但当它们的酶使之成为工业规模的应用时,它们通常只在30℃(86℉)以上的温度下工作。所需的加热意味着工业应用至今仍很昂贵,而且不是碳中性的。

但是这个问题有一个可能的解决方案:找到专业的冷适应微生物,其酶在较低的温度下工作。

来自瑞士联邦研究所的科学家们知道到哪里去寻找这样的微生物:在他们国家的阿尔卑斯山的高海拔地区,或者在极地地区。他们的研究结果发表在《微生物学前沿》杂志上。

第一作者Joel Rüthi博士说:"在这里我们表明,从高山和北极土壤的'质层'中获得的新型微生物分类群能够在15°C的温度下分解可生物降解的塑料",他目前是WSL的客座科学家。"这些生物可能有助于降低塑料的酶促回收过程的成本和环境负担"。

Rüthi及其同事在格陵兰岛、斯瓦尔巴群岛和瑞士对生长在自由放置或故意埋藏的塑料(在地下保存一年)上的19种细菌和15种真菌进行了采样。斯瓦尔巴群岛的大部分塑料垃圾是在2018年瑞士北极项目期间收集的,学生们在那里进行实地考察,亲眼目睹了气候变化的影响。瑞士的土壤是在Muot da Barba Peider山顶(2979米)和Val Lavirun山谷中收集的,这两个地方都位于格劳宾登州。

科学家们让分离出的微生物作为单株培养物在实验室中于15°C的黑暗环境下生长,并使用分子技术对其进行鉴定。结果显示,细菌菌株属于放线菌门和变形菌门的13个属,真菌属于子囊菌门和粘菌门的10个属。

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令人惊讶的结果

然后,他们使用一套检测方法来筛选每个菌株消化不可生物降解的聚乙烯(PE)和可生物降解的聚酯-聚氨酯(PUR)以及聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)和聚乳酸(PLA)这两种市售可生物降解的混合物的能力。

即使在这些塑料上培养了126天,没有一个菌株能够消化PE。但是19种(56%)菌株,包括11种真菌和8种细菌,能够在15℃下消化PUR,而14种真菌和3种细菌能够消化PBAT和PLA的塑料混合物。核磁共振(NMR)和基于荧光的检测证实,这些菌株能够将PBAT和PLA的聚合物切成更小的分子。

Rüthi说:"让我们非常惊讶的是,我们发现很大一部分被测菌株能够降解至少一种被测塑料。"

表现最好的是Neodevriesia和Lachnellula属的两个未定性真菌物种:它们能够消化除PE以外的所有测试塑料。结果还显示,大多数菌株消化塑料的能力取决于培养基,每个菌株对四种测试的培养基都有不同的反应。

消化植物聚合物的能力的副作用

消化塑料的能力是如何演变的?由于塑料从20世纪50年代起才出现,降解塑料的能力几乎可以肯定不是自然选择最初所针对的特征。

"实验已经证明,微生物可以产生各种聚合物降解酶,参与植物细胞壁的分解。特别是,植物病原真菌经常被报道用于生物降解聚酯,因为它们有能力产生角蛋白酶,而角蛋白酶由于与植物聚合物角蛋白相似而以塑料聚合物为目标,"最后一位作者Beat Frey博士解释说,他是WSL的高级科学家和小组负责人。

由于Rüthi等人只测试了15°C下的消化,他们还不知道成功菌株的酶在哪种最佳温度下工作。

弗雷说:"但我们知道,大多数测试的菌株可以在4°C和20°C之间良好生长,最佳温度在15°C左右。下一个巨大的挑战将是确定微生物菌株产生的塑料降解酶,并优化过程以获得大量的蛋白质。此外,可能需要进一步修改酶,以优化蛋白质稳定性等特性"。

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