Исследование бразильских ученых из UFSCar и UNESP показало, что микробиота кишечника гусениц хлопковой совки (Helicoverpa armigera) способна адаптироваться и разрушать пенополистирол. Эксперименты выявили, что грибы Aspergillus и Talaromyces, выделенные из кишечника насекомых, успешно разрушают полимерную структуру пластика, что открывает перспективы для создания «живой фабрики» по переработке отходов.
Гусеница моли, признанная агропромышленным сектором одним из самых разрушительных вредителей сои, хлопчатника и кукурузы, содержит в своем кишечнике грибы и бактерии, способные разлагать вспененный полистирол, также известный как пенополистирол. В статье, опубликованной в журнале BMC Microbiology, исследователи из Федерального университета Сан-Карлоса (UFSCar) и Государственного университета Сан-Паулу (UNESP) в Бразилии представили результаты исследования кишечной микробиоты Helicoverpa armigera и ее роли в разложении этого пластика, получаемого из нефти.
Поскольку уже существуют исследования бактерий в кишечнике насекомых, это исследование, проведенное Лабораторией молекулярной биологии в UFSCar, сосредоточилось на разнообразии грибов в контексте биоразложения полистирола. Лаборатория известна разработкой трансгенного растения сахарного тростника, устойчивого к сахарному долгоносику Sphenophorus levis, а также открытием белка сахарного тростника, рекомбинантная форма которого способна защищать зубную эмаль.
Исследователям удалось выделить и идентифицировать четыре вида грибов, присутствующих в кишечнике гусениц Helicoverpa armigera, и с помощью сканирующей электронной микроскопии продемонстрировать способность каждого из этих грибов разлагать полимер.
«Опубликованные нашей группой исследования, вероятно, являются первыми в Бразилии, посвященными грибам из кишечной микробиоты насекомых, участвующих в разложении полистирола», — говорит Флавио Энрике Силва, биолог, профессор кафедры генетики и эволюции в UFSCar и ведущий автор статьи.
Для проведения экспериментов насекомых разделили на три группы, получавшие разное питание. Одна группа питалась только блоками вспененного полистирола (сокращенно EPS). Вторая группа получала смешанный рацион, содержащий до 50% EPS, а третья группа питалась обычным кормом. Анализ микробиоты с помощью метабаркодинга показал, что питание играет решающую роль в составе грибов у гусениц.
Хотя дрожжи рода Diutina были повсеместно распространены, их численность значительно снизилась в группах, получавших полистирол. Это изменение позволило микробному сообществу диверсифицироваться, что привело к появлению таких родов, как Aspergillus, Talaromyces, Metarhizium и Trematosphaeria. Это говорит о том, что микробиота адаптировалась к потреблению полимера.
Впоследствии исследователи выделили из микробиоты кишечника личинок четыре вида грибов: Aspergillus sp., Talaromyces sp. и два вида Penicillium. Затем они поместили споры этих грибов на ультратонкую полистироловую пленку и инкубировали их в течение 60 дней. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии показал, что грибы росли и взаимодействовали с поверхностью полимера, изменяя ее в процессе.
«Если гриб смог расти на этой пленке, то это потому, что он использовал пленку в качестве источника углерода — то есть источника пищи. Два из них более эффективны, в то время как два других вносят более тонкие изменения в пленки», — комментирует Силва.
В другой статье той же исследовательской группы, опубликованной в журнале Frontiers in Microbiology, описываются исследования микробиоты личинок жука Sphenophorus levis, также известного как сахарный долгоносик. Это насекомое поражает монокультуры сахарного тростника. Исследователи подчеркивают эффективность бактерии Paenibacillus lautus в расщеплении полистирола и уменьшении его молярной массы. Это исследование стало результатом докторской работы инженера-биотехнолога Эдуардо Перейры де Соузы, соавтора статьи о Helicoverpa.
В настоящее время исследователи анализируют фекалии насекомых, чтобы определить, происходит ли простое превращение полимера в микро- или нанопластик, или же в результате пищеварения происходит полное разрушение углеродных колец.
Еще одно насекомое, изучаемое группой исследователей из Лаборатории молекулярной биологии UFSCar, — это жук Zophobas morio. Его личинка, известная своим ненасытным аппетитом, в народе называется «гигантским мучным червем».
Включение зофобаса в программу исследований биоразложения пластмасс логично продолжает и масштабирует работу с гусеницами хлопковой совки. Если гусеницы совки привлекли внимание ученых уникальным составом кишечных грибов, то личинки Zophobas morio — это признанные тяжеловесы в мире «пожирателей пластика».
В отличие от мелких мучных червей (Tenebrio molitor), личинки зофобаса достигают 5–6 см в длину. Это дает им преимущество для промышленного биотеха.
«У него есть интересная особенность: он гораздо более устойчив, чем, например, личинки Sphenophorus levis, которые обитают в сахарном тростнике и легко погибают в лаборатории. Зофобас может выживать в течение нескольких недель, питаясь только пенополистиролом или другими полимерами», — говорит Силва.
Исследователь говорит, что впереди предстоит большая работа по идентификации микроорганизмов, генов и белков, участвующих в процессе разложения полимеров. «Нам нужно определить, какие микроорганизмы наиболее эффективны и взаимодействуют ли они друг с другом. В нашей работе с Paenibacillus мы секвенировали геном бактерии и идентифицировали гены, кодирующие белки, которые, как известно, участвуют в разложении пластика. Изучая этот механизм, мы надеемся выявить более эффективные ферменты», — говорит Силва.
Исследователи планируют разработать коллекцию бактерий и грибов, которые эффективно разлагают полистирол и колонизируют кишечник насекомого, например, гигантского мучного червя. Профессор считает, что грибы могут вносить свой вклад в этот процесс: «Они являются превосходными производителями и секреторами ферментов, многие из которых способны расщеплять целлюлозу и сложные полимеры».
«Тогда у нас будет мощная и высокоэффективная личинка для разложения — своего рода троянский конь. Хотя многие исследования изучали разложение пластика почвенными микроорганизмами, гораздо меньше внимания уделялось микроорганизмам кишечника насекомых, особенно тем, которые участвуют в разложении вспененного полистирола. Пенополистирол всегда изучался меньше. Его переработка всегда представляла собой проблему с логистической точки зрения, поскольку блок этого материала содержит всего 2% пластика, а остальное — воздух», говорит ученый.
Недавно Летисия Гарсия Бегини, студентка Силвы, участвовавшая в исследовательской работе, была удостоена премии SBBq на 55-й конференции Бразильского общества биохимии и молекулярной биологии за свою работу, посвященную личинкам Zophobas morio и разложению полистирола.
Источник: FAPESP.