Novel microorganisms screening assay for detection of the biodegradation activity against polyethylene-wax
Diese Studie präsentiert ein neuartiges, schnelles Screening-Verfahren unter Verwendung von PE-Wachs-Emulsions-Agarplatten zur erfolgreichen Isolierung und Identifizierung von Bodenmikroorganismen, einschließlich der Gattungen *Pseudomonas* und *Stenotrophomonas*, die in der Lage sind, Polyethylenderivate abzubauen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Die Plastikverschmutzung ist eine der definierenden Herausforderungen unserer Zeit, da Milliarden Tonnen synthetischer Materialien in der Umwelt akkumulieren. Unter diesen ist Polyethylen das am häufigsten vorkommende Material, das in allem von Einkaufstüten bis hin zu Verpackungsfolien zu finden ist. Dieses Material ist dafür berüchtigt, dass es von der Natur nur schwer abbaubar ist, da seine molekulare Struktur aus einer langen, stabilen Kette von Kohlenstoffatomen besteht, die den Enzymen, mit denen die meisten Mikroben Nahrung aufnehmen, widersteht. Damit eine Mikrobe Plastik konsumieren kann, muss sie dieses zähe Rückgrat zuerst chemisch verändern, meist indem sie Sauerstoff hinzufügt, um das inerte Plastik in etwas Weicheres und leichter Zugängliches zu verwandeln. Oh brotherhood diesen ersten Schritt bleibt das Plastik eine Festung, die Bakterien nicht durchdringen können. Wissenschaftler suchen schon lange nach den spezifischen Mikroben und Enzymen, die in der Lage sind, diesen entscheidenden ersten Schritt auszuführen, aber die Suche nach ihnen war wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Die Standardmethoden zum Testen von Bodenproben sind langsam, teuer und scheitern oft daran, zwischen Mikroben zu unterscheiden, die lediglich an Spuren von Nährstoffen überleben, und solchen, die das Plastik aktiv angreifen.
Ein Forscherteam der Universität für Umwelt- und Lebenswissenschaften in Breslau, Polen, hat einen neuen Weg entwickelt, um diese Suche zu beschleunigen. Sie entwickelten eine Screening-Methode, die eine spezielle Art von Wachs verwendet, das aus oxidiertem Polyethylen besteht und als Stellvertreter für das echte Material dient. Da vollständig oxidiertes Plastik für Mikroben leichter zu handhaben ist als rohes Plastik, dient dieses Wachs als Modell, um Organismen zu finden, die über die richtigen Werkzeuge verfügen, um den Abbauprozess einzuleiten. Die Forscher mischten dieses Wachs mit Wasser und einer sanften, seifenähnlichen Substanz zu einer milchigen Emulsion, die sie dann in Petrischalen goss, um eine dünne, feste Schicht über einer Nährstoffbasis zu bilden. Wenn sie Bodenproben auf diese Schalen platzierten, warteten sie darauf, ob Mikroben wachsen und einen klaren Ring um sich herum hinterlassen würden. Dieser klare Ring, oder Halo, deutete darauf an, dass die Mikrobe das Wachs aktiv konsumierte und sich so den Weg beim Fressen freimachte.
Das Team sammelte Boden von vier verschiedenen Standorten in Polen, die von belebten Autobahnen und Industriezonen bis hin zu ruhigen Naturschutzgebieten reichten, in der Hoffnung, Mikroben zu finden, die an unterschiedliche Belastungen angepasst sind. Nachdem sie tausende winzige Kolonien auf ihren speziellen Wachsplatten gezüchtet hatten, fanden sie zwei spezifische Gruppen von Mikroben, die erfolgreich diese klaren Halos erzeugt hatten. Dies waren keine einzelnen Bakterien, sondern gemischte Gemeinschaften oder Konsortien, die zusammenarbeiteten. Um zu beweisen, dass diese Mikroben tatsächlich in der Lage waren, das Wachs als Nahrung zu nutzen, überführten die Forscher sie in Flüssigtanks, die nur die Wachsemulsion und keine andere Nahrungsquelle enthielten. Über mehrere Wochen hinweg überführten sie die Mikroben wiederholt in frische Wachswert, ein Prozess, der die Gemeinschaft zwang, sich anzupassen und effizienter beim Verdauungsprozess des Polymers zu werden. Die Mikroben überlebten nicht nur, sondern wurden mit jeder Überführung dicker und robuster, was bewies, dass sie ausschließlich vom Wachs leben konnten.
Um sicherzustellen, dass die Mikroben tatsächlich die chemische Struktur des Wachses veränderten und nicht nur auf versehentlichen Verunreinigungen wuchsen, verwendeten die Wissenschaftler einen hochsensiblen chemischen Test. Sie fügten einen speziellen Farbstoff hinzu, der leuchtet, wenn er an spezifische chemische Gruppen bindet, die Aldehyde genannt werden und entstehen, wenn Plastik beginnt abzubauen. Die Flüssigkulturen zeigten ein starkes Leuchten, was bestätigte, dass die Plastikketten chemisch verändert wurden. Interessanterweise war das Leuchten in den frühen Stadien des Experiments am stärksten und wurde in den späteren, stärker angepassten Stadien etwas schwächer. Die Forscher vermuten, dass dies geschah, weil die hocheffizienten, evolvierten Mikroben das Plastik so schnell abbauten, dass die intermediären Aldehydgruppen in die nächste Stufe des Abbaus umgewandelt wurden, bevor der Farbstoff sie erfassen konnte. Diese schnelle Verarbeitung ist ein Zeichen für einen gesunden, aktiven Abbauprozess.
Als das Team die genetische Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften vor und nach dieser Anpassungsperiode analysierte, sahen sie eine dramatische Verschiebung darin, wer das Sagen hatte. Die ursprünglichen Bodenproben waren eine vielfältige Mischung vieler verschiedener Arten von Bakterien. Nach Wochen des Lebens auf dem Wachs vereinfachten sich die Gemeinschaften jedoch und wurden von nur wenigen Arten von Bakterien dominiert, speziell jenen aus den Gattungen Pseudomonas und Stenotrophomonas sowie einer Familie von Bakterien namens Alcaligenaceae. Diese spezifischen Gruppen sind in der wissenschaftlichen Literatur für ihre Fähigkeit bekannt, langkettige Kohlenwasserstoffe zu verarbeiten – dieselben Bausteine, die auch in Plastik zu finden sind. Die Tatsache, dass diese speziellen Mikroben an der Spitze der Nahrungskette aufstiegen, als das Wachs die einzige Nahrungsquelle war, deutet darauf darauf hin, dass sie über die spezifischen Enzyme verfügen, die benötigt werden, um das Material anzugehen.
Diese Studie behauptet nicht, eine Mikrobe gefunden zu haben, die eine Plastiktüte augenblicklich auflösen kann, noch deutet sie darauf hin, dass das Problem der Plastikverschmutzung damit gelöst ist. Stattdessen bietet sie ein zuverlässiges und schnelles Werkzeug, um den richtigen Ausgangspunkt zu finden. Durch die Verwendung dieser wachsbasierten Screening-Methode können Wissenschaftler nun schnell identifizieren, welche Bodenproben Mikroben enthalten, die in der Lage sind, die oxidierten Teile von Plastik anzugreifen. Diese Erkenntnisse bieten einen praktischen Weg zur Entdeckung der Enzyme und Organismen, die eines Tages dazu verwendet werden könnten, die riesigen Mengen an Plastikmüll, die unsere Ökosysteme ersticken, abzubauen. Die Arbeit bestätigt, dass man mit der richtigen Screening-Methode die natürlichen Recycler der Natur mit wesentlich größerer Geschwindigkeit und Präzision finden und untersuchen kann.
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