TEMES

Bacteris que mengen plàstic

Oceans de plàstic

Els humans estem destrossant el planeta Terra. A banda del canvi climàtic, l’exhauriment dels recursos naturals i l’extinció massiva d’espècies animals i vegetals, un dels efectes més “vistosos” és el cobriment del planeta amb deixalles. Com que el 71% de la superfície és marina, la majoria dels residus que no es degraden acaben al mar, i amb això, als oceans ja hi ha grans extensions cobertes de residus surants, anomenades illes de plàstic de fins a 1.500 km de radi, i fins a 200 m de fondària.

Els plàstics PET

Encara que hi ha molts tipus de plàstics, un dels més utilitzats i més abundant a les deixalles i a les illes de plàstic és el politereftalat d’etilè (o tereftalat de polietilè), conegut com a PET o PETE (Figura 1). És un tipus de polímer termoplàstic, vulgarment plàstic, que pertany als denominats polièsters, i s’obté per síntesi a partir del petroli. És innocu, molt resistent i lleuger, i té múltiples aplicacions: ampolles de begudes, contenidors de líquids diversos i de fruites, safates per a microones, aïllament de parets, catifes sintètiques, roba sintètica, etc.

fig_1_pet_molecular_structure.jpg

Figura 1. El PET, politereftalat d’etilè.

Com a dada interessant, cal esmentar que només d’ampolles de PET per a begudes refrescants es calcula que se’n venen al món 1 milió per minut. Tot i que és un material reciclable, és molt resistent a la biodegradació, i a la natura pot durar alguns centenars d'anys.

El bacteri Ideonella sakaiensis es “menja” el PET

Ideonella sakaiensis (Figura 2) és un bacteri amb forma de bacil, gram-negatiu, no esporulat, aeròbic, heteròtrof, mòbil amb un flagel, i catalasa (+) i oxidasa (+) (Tanasupawat et al., 2016). Creix a pH neutres i és mesòfil, amb òptim a 30-37ºC. Pertany al grup filogenètic dels betaproteobacteris.

fig_2_ideonella-sakaiensis_falsecolorsem_yoshida_s.jpg

Figura 2. Ideonella sakaiensis, imatge al microscopi electrònic de rastreig en fals color (Treta de Yoshida et al., 2016).

La primera soca de la nova espècie I. sakaiensis fou aïllada d'un abocador i identificada per un grup de l’Institut de Tecnologia de Kyoto que cercaven bacteris que utilitzessin el plàstic com a font de carboni, a partir de mostres de restes d’ampolles de PET (Yoshida et al., 2016). Van veure que aquest bacteri s’adhereix a un film de PET de baix grau de cristal·lització i el pot degradar, mitjançant dos enzims que van caracteritzar: una PETasa i una MHETasa, que acaben donant com a productes àcid tereftàlic i etilenglicol (Figura 3), que són substàncies ambientals benignes i que el bacteri pot metabolitzar.

fig_3_yoshida_fig_3_right.png

Figura 3. Ruta metabòlica prevista de la degradació de PET per I. sakaiensis: la PETasa extracel·lular hidrolitza el PET donant monohidroxietil tereftàlic (MHET) i àcid tereftàlic (TPA). La MHETasa hidrolitza el MHET a TPA i etilenglicol (EG). El TPA és incorporat mitjançant un transportador de TPA (TPATP) i és catabolitzat a ciclohexadiè i aquest a protocatètic (PCA) per la DCDDH. Finalment, l'anell del PCA és tallat per una PCA 3,4 dioxigenasa amb oxigen, com és conegut a la degradació dels compostos fenòlics i altres xenobiòtics. Les n. entre parèntesis són els ORF dels gens corresponents (Tret de Yoshida et al., 2016).

L’estudi va mostrar que una colònia d'I. sakaiensis va degradar del tot una ampolla de PET de baix grau en 6 setmanes. Tanmateix, els productes PET d’alt grau de cristal·lització requereixen ser escalfats per afeblir-los abans que el bacteri pugui degradar-los.

Aquest és el primer bacteri trobat que és degradador de PET, i l'utilitza com a única font de carboni i d’energia. Donat que el PET només existeix des de fa 70 anys, aquest bacteri hauria d'haver evolucionat en aquest breu període fins a arribar a poder-lo degradar en poques setmanes, en lloc dels centenars d’anys a la natura (Sampedro, 2016).

Només es coneixien prèviament alguns microfongs tropicals (Fusarium solani) degradadors del PET. En aquest cas, aquests Fusarium serien utilitzats per modificar el teixit de polièster, per aconseguir teixits més hidrofílics i més fàcils de treballar (Nimchua et al., 2008). Cal recordar la semblança estructural dels teixits de PET, roba de fibra sintètica, als de fibra natural com el cotó, ja que aquests contenen cutina, que és un polièster de les parts externes de les plantes. Per tant, els enzims de Fusarium o Ideonella deuen ser relativament semblants als que ja hi eren a la natura molt abans d’inventar-se els plàstics.

Hi ha altres "menjaplàstics" ?

La descoberta d'I. sakaiensis ha tingut molta importància per la possibilitat d'establir un procés de reciclatge ràpid del PET, però no és el primer organisme que s'hagi trobat que consumeix plàstics. Vegem les fórmules dels principals plàstics derivats del petroli a la Figura 4.

fig_4_shah_2008_fig_1.jpg

Figura 4. Fórmules dels plàstics derivats del petroli més usuals: polietilè (PE), clorur de polivinil (PVC), polipropilè (PP), poliestirè (PS), politereftalat d’etilè (PET o PETE) i poliuretà (PU). (Tret de Shah et al., 2008).

Doncs bé, s'han descrit força casos de microorganismes degradadors de plàstics (Shah et al., 2008), sobretot de polietilè, poliuretà i PVC: diversos Pseudomonas, Rhodococcus i Comamonas entre els bacteris, i alguns Penicillium, Fusarium i Aspergillus entre els fongs.

Entre els degradadors de poliuretà destaquen els fongs (Howard, 2002), i sobretot l'endòfit de plantes Pestalotiopsis microspora, que pot consumir poliuretà com a única font de carboni (Russell et al., 2011).

D'altra banda, és força coneguda la capacitat dels cucs o larves dels escarabats de la farina, els Tenebrio molitor, per mastegar i degradar l’espuma de poliestirè (PS) (Yang et al., 2015). Alimentades només amb el PS, aquestes larves el degraden completament en uns temps relativament curts. La degradació del PS, com era d’esperar, la fan els bacteris intestinals de l'animal, com s’ha demostrat en aturar-se la degradació quan s’administra antibiòtic a la larva (Yang et al., 2015). Un dels bacteris aïllats que s’ha demostrat degradador del PS és Exiguobacterium, un bacil·lal, però no és l’únic. De fet, en fer estudis de metagenòmica de l’intestí de les larves quan mengen PS, s’ha trobat una gran varietat de bacteris, i que aquests varien en funció del plàstic, ja que també s’ha vist la degradació de polietilè. Alguns dels bacteris amb DNA trobat com a predominant serien els enterobacteris Citrobacter i Kosakonia. Sembla que la microbiota intestinal de Tenebrio es modifica i s'adapta als diferents plàstics ingerits (Brandon et al., 2018).

Així doncs, la biodegradació microbiana de plàstics en principi no biodegradables o recalcitrants no ens hauria d'estranyar, ja que per un costat, hi ha "plàstics" naturals com el polihidroxibutirat o l’àcid polilàctic, que són fàcilment degradables (Shah et al., 2008), i d'altra banda la capacitat adaptativa dels microorganismes per poder arribar a trencar els enllaços químics més recalcitrants és molt gran. Els microbis evolucionen ràpidament, i adquireixen estratègies millors per poder trencar els plàstics fets pels humans (Patel, 2018). Ho hem vist en aquest cas de la degradació del PET, que en menys de 70 anys que fa que existeix, alguns microbis ja han trobat la manera d’aprofitar-lo.

El problema segueix sent que estem generant massa quantitat de residus plàstics en molt poc temps i els microorganismes no han tingut temps encara per poder degradar-los. És evident que haurem d'ajudar els nostres companys microbis, no generant més polímers tan poc degradables, i reciclant-los i degradant-los, entre altres maneres, utilitzant aquests mateixos microbis degradadors.

Bibliografia

Brandon AM et al. (2018) Biodegradation of Polyethylene and Plastic Mixtures in Mealworms (Larvae of Tenebrio molitor) and Effects on the Gut Microbiome. Environ Sci Technol 52, 6526-6533.

Howard GT (2002) Biodegradation of polyurethane: a review. Int Biodeterior Biodegrad 42, 213-220.

Patel NV (2018 april 17) Scientists stumbled upon a plastic-eating bacterium – then accidentally made it stronger. Popular Science. www.popsci.com.

Russell JR et al (2011) Biodegradation of polyester polyurethane by endophytic fungi. Appl Environ Microbiol 77, 17, 6076-6084.

Sampedro J (2016 marzo 10) Descubierta una bacteria capaz de comerse un plástico muy común. El País.

Shah AA et al. (2008) Biological degradation of plastics: a comprehensive review. Biotechnol Adv 26, 246-265.

Tanasupawat et al. (2016) Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephtalate). Int J Syst Evol Microbiol 66, 2813-2818.

Yang et al. (2015) Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms: Part 2. Role of gut microorganisms. Environ Sci Technol 49, 12087-12093.

Yoshida et al. (2016) A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 351,11961199

NOTES

Article adaptat i modificat de l'original "Bacteris que mengen plàstic", publicat el 27 de novembre 2018 al blog "Bios i altres" d'Albert Bordons.

Contacta amb Divulcat