Så rubbar plastföroreningar jordens mikrobiologi

I naturen finns mikroorganismer som producerar enzymer – små proteiner – som kan bryta ned plast. Ny forskning från Chalmers tekniska högskola visar att områden med stora mängder plastföroreningar också har en ökad mängd nedbrytande enzymer. De nya resultaten bygger på DNA-analyser från både land och hav och visar hur plasten påverkar den globala mikrobiologin. Men den nya kunskapen kan också bidra till nya innovativa lösningar.

Produktionen av plast har exploderat under de senaste 70 åren – från omkring två miljoner ton per år till nästan 380 miljoner. Det har bidragit till att plastföroreningar idag är ett stort globalt problem. Sedan plastmaterialen introducerades har olika bakterier svarat evolutionärt på föroreningarna genom att utveckla enzymer som kan bryta ner olika sorters plast.

I den nya studien, som nyligen publicerades i den vetenskapliga tidskriften mBIO, analyserade forskarna så kallade ’environmental-DNA’ prov från hundratals platser jorden runt. De använde datamodellering för att söka efter mikrobiella enzymer med potential att bryta ned plast. Förekomsten av dessa enzymer jämfördes också med officiella uppgifter om plastförorening av land- och havsområden.

–  Med hjälp av våra modeller hittade vi flera bevis för att förmågan att bryta ned plast hos den globala uppsättningen av mikroorganismer, mikrobiomet, kan sättas i relation till uppmätta nivåer av plastföroreningar i miljön. Det visar väldigt tydligt hur miljön reagerar på det vi utsätter den för, säger Aleksej Zelezniak, docent i systembiologi vid Chalmers.

Flest enzymer i de mest förorenade haven

Med andra ord ökar mängden och mångfalden av plastnedbrytande enzymer som ett direkt svar på höga nivåer av plastföroreningar. Totalt hittade man över 30 000 enzymhomologer som kan bryta ned tio olika sorters vanlig plast. Homologer innebär proteinsekvenser som har likartade egenskaper. Några av de geografiska platser där man hittade flest och störst mängd enzymer var områden man vet är utsatta för stora mängder plastföroreningar, till exempel Medelhavet och södra Stilla havet.

–  För närvarande vet vi väldigt lite om dessa plastnedbrytande enzymer och vi förväntade oss inte att hitta ett så stort antal i så många olika miljöer. Det här är en överraskande upptäckt som verkligen visar på omfattningen av problemet, förklarar Jan Zrimec, försteförfattare till studien och tidigare postdoktor i Aleksej Zelezniaks grupp, nu forskare vid National Institute of Biology i Slovenien.

Kan öppna för nya återvinningsprocesser

Varje år hamnar ungefär åtta miljoner ton plast i världshaven och den naturliga nedbrytningen går mycket långsamt. Till exempel kan en PET-flaskas livslängd vara hundratals år och ackumulerade plastföroreningar i hav och på land är ett globalt problem som behöver nya lösningar. Forskarna tror att deras resultat skulle kunna användas för att upptäcka och modifiera enzymer för nya återvinningsprocesser.

–  Nästa steg är att testa de mest lovande enzymerna i ett laboratorium för att undersöka deras egenskaper och hur effektivt de kan bryta ned plast. Sedan kan man modifiera speciella mikroorganismer för att de snabbare ska kunna bryta ner olika typer av plastmolekyler i naturen,  , säger Aleksej Zelezniak.
 

Artikeln, Plastic-Degrading Potential across the Global Microbiome Correlates with Recent Pollution Trends, är publicerad i tidskriften mBio. Den skrevs av Jan Zrimec, Mariia Kokina, Sara Jonasson, Francisco Zorrilla och Aleksej Zelezniak.

https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.02155-21

https://doi.org/10.1128/mBio.02155-21

För mer information, kontakta:

Aleksej Zelezniak, docent, institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers Tekniska Högskola.
Tel 031-772 81 71
aleksej.zelezniak@chalmers.se


Mer om forskningen och hur slutsatserna kunnat dras

De plastnedbrytande enzymerna som forskarna hittade var spridda i mikrobiom i prover från både land och hav. Proverna visade stora skillnader när det gällde antal och vilken sorts plastpartiklar som återfanns. Även de plastnedbrytande enzymerna uppvisade stor variation. Till exempel innehöll markproverna många fler ftalatbaserade plastföreningar. Sådana används huvudsakligen som tillsatser i olika produktionsprocesser på land och är särskilt benägna att läcka ut i omkringliggande miljöer under produktion och återvinning. I dessa markprover hittade forskarna också fler enzymer som kunde bryta ned ftalatbaserade plaster, vilket tyder på ett samband mellan förekomsten av specifika plaster och enzymer som kan bryta ned dem.

Proverna från havet visade också hur mängden enzymer med nedbrytningsförmåga ökade med djupet. Datauppsättningen inkluderade 67 platser från åtta hav, på tre olika djup, och visade konsekvent högre nivåer av nedbrytande enzymer på djupare nivåer. Detta indikerar en koppling till den högre nivån av mikroplast som man har observerat på djupa havsnivåer.

Forskarna sammanställde en datauppsättning av 95 tidigare kända enzymer med plastnedbrytande eller plastmodifierande egenskaper. De använde "Hidden Markov Models" för att söka igenom data hämtade från några av de största globala metagenomiska studierna för att identifiera homologa sekvenser från 236 geografiska platser. Forskarna använde prover från human som kontroll för falskt positiva prover - trots farhågor om mikroplastintag har inga plastnedbrytande enzymer ännu identifierats i människor. De fick totalt 30 000 enzymträffar i havs- och landmikrobiom (ca 12 00 respektive 18 000) motsvarande tio vanliga plasttyper, inklusive sex polymerer och fyra tillsatser. Nästan 60 procent av de identifierade plastnedbrytande enzymerna kunde inte kopplas till redan kända enzymklasser, vilket tyder på att man upptäckte nytt plastnedbrytande funktionellt innehåll.

Joshua Worth
Kommunikatör
031 772 63 79
joshua.worth@chalmers.se

________________

Chalmers tekniska högskola i Göteborg forskar och utbildar inom teknik och naturvetenskap på hög internationell nivå. Universitetet har 3 100 anställda, 10 000 studenter och utbildar ingenjörer, arkitekter och sjöbefäl.

Med vetenskaplig excellens som grund utvecklar Chalmers kompetens och tekniska lösningar för en hållbar värld. Genom globalt engagemang och entreprenörsanda skapar vi innovationskraft, i nära samarbete med övriga samhället. EU:s största forskningsinitiativ – Graphene Flagship – leds av Chalmers, liksom bygget av en svensk kvantdator.

Chalmers grundades 1829 och har än idag samma motto: Avancez – framåt.

---

Det är tillåtet att ladda ner, sprida och använda bifogade bilder och illustrationer, om inget annat anges, för publiceringar i samband med Chalmers pressmeddelanden så länge Chalmers och fotograf/illustratör står med som upphovsperson där möjlighet ges. Det är tillåtet att beskära och justera i materialet för att anpassa format för publikation men det är ej tillåtet att omarbeta originalet på ett sådant sätt att det ändrar den ursprungliga innebörden. Materialet är avsett att användas i redaktionellt syfte. Kommersiell användning, som del i marknadsföring av varor och tjänster, är inte tillåten.

Vi vill att Chalmers och våra fotografer och illustratörer namnges i samband med publicering där det är möjligt enligt följande modell:

• Foto: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn
• Grafik/Illustration: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn