Natural sciences [2020-09-04]

PETstop: mikroorganizmy na wojnie z plastikiem

— Marcin Behrendt

Badaczka z UMK wie, jak na długie lata rozwiązać problem plastikowych odpadów. Wystarczy uwolnić mikroorganizmy, które przekształcą najtrudniej rozkładające się śmieci w pokarm i je zjedzą.

PETstop to biologiczny, w pełni bezpieczny dla środowiska środek przyspieszający rozkład plastiku. Zawarte w nim grzyby posiadają zdolność do wytwarzania enzymów hydrolitycznych, które rozcinają wiązania wodorowe w tworzywach, a potem uruchamiają całe szlaki metaboliczne w celu degradacji ksenobiotyków (zanieczyszczeń). Równocześnie na pierwszym etapie zasiedlania tworzyw grzyby wytwarzają białka odpowiadające za przyleganie do plastiku i cała skomplikowana biologiczna machina rusza.

Autorką tego wynalazku jest dr hab. Grażyna Dąbrowska, prof. UMK, kierownik Katedry Genetyki Wydziału Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Zanim genetyczka wypowiedziała wojnę plastikowi, przez wiele lat prowadziła badania, najpierw poszukując mikroorganizmów, które wspomagają wzrost roślin. Długo badała, jaki wpływ mikroorganizmy mają na rośliny.

- Funkcjonowanie naszego organizmu jest zapisane w naszych genach, ale jest także sterowane przez drobnoustroje, tworzące nasz mikrobiom. Wiedziałam, że rośliny też posiadają mikroorganizmy współfunkcjonujące – tłumaczy prof. Dąbrowska. - Badania na świecie poszły i idą w tę stronę. Naukowcy, w tym ja, w swoich badaniach identyfikują i charakteryzują także od strony molekularnej mikroorganizmy pochodzące z roślin, poprzez sekwencjonowanie poznają ich geny, analizują ich zdolności do wytwarzania fitohormonów oraz innych związków i wówczas w oparciu o dowody naukowe wiadomo, jak to działa, dlaczego np. stymulują wzrost roślin, chronią przed patogenami. Tak się zaczęła moja przygoda z mikroorganizmami - chciałam znaleźć biologiczne rozwiązanie, które umożliwiłoby ograniczenie stosowania nawozów sztucznych w rolnictwie.

Celem były drobnoustroje towarzyszące roślinom, które mają także zdolność do zwiększania biodostępności składników mineralnych obecnych w glebie i powodują, że rośliny pobierając je, lepiej rosną, a dodatkowo poprawiają jakość gleby. Co ważne, ma to również wpływ na obniżenie kosztów upraw.

Co do problemu z plastikiem, zdawałam sobie sprawę, że potencjał drzemie w mikroorganizmach, zwłaszcza tych zdolnych do wzrostu na terenach zdegradowanych antropogenicznie, silnie zanieczyszczonych – mówi prof. Dąbrowska. - Wszechobecność plastiku przerażała mnie, nie mogłam patrzeć na to, co się dzieje u mnie w domu. Same zakrętki, które zbieramy, które dzieci zanoszą do szkoły w ramach akcji pomagania niepełnosprawnym, stanowią kilogramy plastiku, a rzeczywista skala plastikowych odpadów najwyraźniej ujawnia się podczas segregacji śmieci.

Biolożka rozpoczęła prace od znalezienia mikroorganizmów chroniących rośliny przed patogenami, potrafiących żyć na innym organizmie, wykazujących mykopasożytnictwo. Okazało się, że jest duża grupa takich mikroorganizmów w glebie, a właściwie we wszystkich środowiskach. Badaczka postawiła na grzyba potrafiącego żyć na innym grzybie.

- Taki mikroorganizm musi wytwarzać odpowiednie enzymy, pozwalające na rozkładanie i wykorzystywanie żywiciela jako źródła węgla, co więcej musi mieć jeszcze inny potencjał molekularny, mieć to coś, co pozwala mu przylegać – wyjaśnia prof. Dąbrowska. - Zaczęłam szukać odpowiednich białek, które wytwarzają grzyby zasiedlając nowe środowiska. Obecnie kończę pisanie publikacji o grzybach, które degradują plastik oraz o ich genach i białkach: jak wyglądają, co tworzą na plastiku. To niesamowite, jakie przystosowania do zmieniającego się wciąż środowiska posiadają mikroorganizmy. Grzyby podczas zasiedlania plastiku produkują białka, tworzące na ich powierzchni rodzaj błony, są to biofilmy białkowe, dosłownie cała powierzchnia tworzywa PET pokryta jest białkami i to pozwala temu grzybowi saprofitycznemu przylegać i przetrwać.

Mikroorganizmy, które proponuję w formie biopreparatu, ich wpływ na inne organizmy i środowisko są rzeczywiście dokładnie rozpoznane. Pozostaje tylko znaleźć osobę lub instytucję, która chciałaby uwierzyć i zainwestować w ten wynalazek.  

Kluczowe było znalezienie mikroorganizmu mającego bardzo duży potencjał do wytwarzania enzymów hydrolitycznych, czyli zdolnych do degradowania ściany komórkowej. Te same grzyby, które rozkładają plastik, potrafią wniknąć do rzepaku przez korzenie i nadawać mu odporność na patogeny.

- To jest głęboko połączone wieloma wątkami, dzięki wcześniejszym badaniom typowanie odpowiedniego grzyba nie było przypadkowym strzałem - mówi prof. Dąbrowska. - Zanim zastosowałam mikroorganizmy, długo je testowałam, sprawdzałam, jakie mają właściwości, czy potrafią żyć w glebie zanieczyszczonej metalami czy o podwyższonym zasoleniu, bo takie zanieczyszczenia mamy w glebie rolnej. Skala badań była duża, miały one charakter testów przesiewowych. Wyselekcjonowane w ten sposób mikroorganizmy testowałam następnie na siewkach, sprawdzałam, czy mają zdolność do stymulowania wzrostu roślin i ich korzeni. To jest tak wielowątkowe zagadnienie, że trudno wyobrazić sobie skalę przeprowadzonych badań, ale dzięki temu mikroorganizmy, które proponuję w formie biopreparatu, ich wpływ na inne organizmy i środowisko są rzeczywiście dokładnie rozpoznane. Pozostaje tylko znaleźć osobę lub instytucję, która chciałaby uwierzyć i zainwestować w ten wynalazek.  

Takim mecenasem mógłby być np. jakiś samorząd, chociaż urzędników niełatwo przekonać do wynalazku, bo nie działa on w ekspresowym tempie.

– Nie ufałabym komuś, kto powie, że od razu rozwiąże problem plastikowych odpadów – mówi prof. Dąbrowska. - Świat nie poradzi sobie z tym jeszcze przez wiele lat. Moja propozycja jest taka, żebyśmy zarówno na legalnych, jak i nielegalnych wysypiskach śmieci zaczęli stosować dodatkowy preparat powodujący zmniejszenie gabarytów wysypiska poprzez przyspieszenie degradacji odpadów. Mikroorganizmy zawarte w biopreparacie zadziałają jak swego rodzaju induktor, który sam rozpocznie proces degradacji plastiku, a w dodatku ułatwi degradację z udziałem innych organizmów obecnych w glebie. Jeśli ktoś zaufa tej metodzie, to jesteśmy wygrani.

Żeby proces przebiegł prawidłowo, trzeba stworzyć cały system działań. W walce z plastikiem pierwszy front stanowią mikroorganizmy, które najszybciej potrafią zasiedlić i uszkodzić tworzywa, następnie włącza się inne organizmy: najpierw m.in. bakterie i nicienie glebowe, a idąc dalej - porosty, glony, rośliny, które będą z nimi współpracowały i jeszcze przyspieszały biodegradację. Warto dodać, że problem plastiku nie dotyczy tylko wysypisk. Przykładem są stosowane w rolnictwie nasiona otoczkowane, które - oprócz chemii zapobiegającej uszkadzaniu nasion przez patogeny zawierają również plastik. A jego rozkład też można znacznie przyspieszyć.

Prof. Dąbrowska testowała skuteczność swojego preparatu na jednych z najpopularniejszych tworzyw: najtrudniej degradowalnym PE, czyli polietylenie, PET czyli politereftalanie etylenu oraz biodegradowalnych tworzywach PLA – polilaktydzie i PCL - polikaprolaktonie. Wynalazek PETstop był wielokrotnie nagradzany w kraju i na świecie. Zdobył m.in. złoty medal XXII Moskiewskiego Międzynarodowego Salonu Wynalazków i Innowacyjnych Technologii "Archimedes 2019"" złoty medal Międzynarodowych Targów Wynalazków i Innowacji INTARG 2019 w Katowicach, złoty medal Targów Wynalazków Grand Prix Eiffel International w Paryżu, srebrny medal Targów Kaohsiung International Invention and Design EXPO w Tajwanie oraz wyróżnienia Międzynarodowych Targów iENA 2018 w Norymberdze. Narodowa Agencja Wymiany Akademickiej wybrała go do publikacji zwierającej 34 wynalazki mające promować polską naukę na świecie.