海洋バクテリアが協力して生分解性プラスチックを分解 |マサチューセッツ工科大学ニュース

生分解性プラスチックは、環境を汚染し、私たちの健康に害を及ぼすプラスチック廃棄物の危機を緩和するのに役立つ可能性があります。しかし、プラスチックが分解するのにどれくらいの時間がかかるのか、環境中の細菌がどのように協力してプラスチックを分解するのかはまだほとんどわかっていない。

プラスチックが微生物によってどのように分解されるかを理解することは、科学者がより持続可能な材料を開発したり、プラスチック廃棄物を有用な材料に変換する新しい微生物リサイクル システムを開発したりするのに役立つ可能性があります。

今回、MITの研究者らは、バクテリアがどのように連携してプラスチックを分解するかを理解するための重要な第一歩を踏み出した。で 新しい紙、研究者らは、広く使用されている生分解性プラスチックの分解における個々の海洋細菌の役割を明らかにしました。彼らはまた、微生物がプラスチックを完全に消費するために使用する相補的なプロセス、つまり、ある微生物がプラスチックをその構成化学物質に分解し、他の微生物が各化学物質を消費することも示した。

研究者らは、これはプラスチックの分解における特定の細菌種の役割を明らかにした最初の研究の1つであり、プラスチックの分解速度がいくつかの重要な要因によって大きく異なる可能性があることを示していると述べている。

「これらの物質が環境中に実際にどのくらいの期間存在するかについては、多くの曖昧な点があります」と、MIT-WHOI共同プログラムの博士課程の学生で筆頭著者のマーク・フォスター氏は言う。 「これは、プラスチックの生分解が、プラスチックが最終的に行き着く微生物群集に大きく依存していることを示しています。また、プラスチック、つまりポリマーの化学反応や製品としての製造方法にも依存します。私たちはこれらの材料の環境寿命を制限しようとしているため、これらのプロセスを理解することが重要です。」

この論文でフォスター氏に加わるのは、MIT 博士号取得候補者のフィリップ・ワッソン氏です。元MIT博士研究員アンドレアス・シチャート。 MITの学部生デボラ・マッデン。ウッズホール海洋研究所の研究者、マシュー・ヘイデン氏とアダム・サブバス氏。チョン・ベッカーとセバスチャン・グロス 国際的な化学およびプラスチック企業 BASF の。オットー・コルデロ、MIT 土木環境工学准教授。ダーシー・マクローズ、MIT トーマス D. およびバージニア W. カボット キャリア開発教授。そしてマサチューセッツ工科大学工学部の気候とエネルギー特別教授であるデジレ・プラタ氏はこう語る。論文が雑誌に掲載されました 環境科学技術。

コラボレーションを発掘する

科学者たちは、海や埋め立て地に山積みになっているプラスチック廃棄物を解決するために生分解性プラスチックが使用できることを望んでいます。

「生産されたプラスチックの半分以上は埋め立て地に送られるか、環境に直接放出されます」とフォスター氏は言う。 「しかし、さまざまな劣化プロセスの詳細が分からなければ、これらの材料の寿命を正確に予測したり、その劣化をより適切に制御したりすることはできません。」

これまで、プラスチックの生分解に関する多くの研究は単一の微生物に焦点を当ててきたが、それはほとんどのプラスチックが環境中でどのように分解されるかを表していないとフォスター氏は言う。

「単一の細菌が完全な分解プロセスを実行することは非常にまれです。ポリマーを解重合し、それらの化学サブユニットを炭素源およびエネルギー源として使用するためにすべての酵素機能を実行するには、かなりの代謝負担が必要になるからです」とフォスター氏は言う。

他の研究では、細菌がプラスチックを分解する際の細菌群の分子フットプリントを捕らえようとしており、これにより、作用機序を明らかにすることなく、関与する種のスナップショットが得られる。

この研究では、研究者らは特定の細菌種がプラスチックを完全に分解する際の役割を明らかにしたいと考えました。彼らは芳香脂肪族コポリエステルとして知られる生分解性プラスチックの一種からスタートしました。レジ袋や食品の包装などにプラスチックが使われています。また、雑草を防ぎ、水分を保持するために、農場の土壌全体に敷かれることもよくあります。

この種のプラスチックを製造するBASFの研究者らは研究を開始するにあたり、まず製品のサンプルを地中海のさまざまな深さに置き、プラスチックの周囲に薄いバイオフィルムとしてバクテリアを増殖させた。その後、同社はサンプルを MIT の研究者に発送し、研究者はサンプルからできるだけ多くの種類の細菌を分離しました。研究者らはこれらの分離菌を混合し、プラスチック上で大量に増殖し続ける細菌種を30種特定した。

研究者らは、プラスチックの分解の尺度として二酸化炭素を使用して、それぞれの細菌を分離し、次の細菌を発見しました。 シュードモナス・パカストレラエこれにより、プラスチック化合物が解重合され、プラスチックの 3 つの化学成分 (テレフタル酸、セバシン酸、ブタンジオール) に分解される可能性があります。

しかし、その細菌は単独で 3 つの成分すべてを消費することはできません。研究者らは各細菌を1つずつ各化学物質にさらしたところ、3つすべてを消費できる細菌は見つからなかったが、1つまたは2つの化学物質を単独で消費できる種はいくつか見つかった。

最後に、研究者らは、それらの相補的な分解能力に基づいて 5 つの細菌種を選択し、この小グループが 30 人の細菌群集と同じプラスチックを完全に分解する能力を示したことを示しました。

「この単純化された一連の特定の代謝機能への分解プロセスを最小限に抑えることができました」とフォスター氏は言います。 「そして、1 つの細菌を取り出したところ、石灰化が低下しました。これは、その細菌がポリマーの分解を制御していることを示しました。次に、各細菌を単独で培養したところ、どの細菌も 5 つすべてを一緒にしたときと同じ分解に達することができませんでした。これは、この補完的な機能が必要であることを示しています。これは、私が思っていたよりもはるかにうまく機能しました。」

研究者らはまた、5人の細菌群集が異なるプラスチックを石化できないことも発見し、細菌のグループが特定のプラスチックのみを石化できる可能性があることを示した。

「これは、このプラスチックが最終的に行き着く場所に生息する微生物がプラスチックの寿命を左右することを浮き彫りにしています」とフォスター氏は言う。

プラスチックの劣化が早い

フォスター氏は、彼の研究に含まれる細菌は地中海に特有のものである可能性が高いと指摘している。この研究には、彼の研究室環境で生存できる細菌のみが含まれていました。それでも、フォスター教授は、これはプラスチックの消費におけるバクテリアの役割を特定した最初の論文の1つであると述べている。

「ほとんどの研究では、それぞれの相補的な石灰化プロセスを制御している特定の細菌を特定することはできません」とフォスター氏は言う。 「ここでは、このバクテリアが分解を制御し、これらのバクテリアが石化を処理すると言えます。そして、それぞれのバクテリアの機能を示し、それらが一緒になってポリマー全体を除去できることを示します。」

フォスター氏は、この研究はプラスチックを分解したり有用なものに変換したりするのに優れた微生物システムを作成するための重要な第一歩であると述べている。博士号取得のためのフォローアップ研究では、プラスチックの消費を促進するために細菌のペアが成功する理由と、酵素がどのようにしてプラスチック粒子に結合して分解を開始し、継続するかを研究しています。

この研究は、MIT 気候と持続可能性コンソーシアムと BASF SE によって支援されました。部分的な支援は、米国国立科学財団大学院研究フェローシップ プログラムによって提供されました。