Descoberta pode levar a soluções de bioengenharia para limpar resíduos plásticos
Por Universidade Northwestern com informações de Science Daily.
Pesquisadores há muito observam que uma família comum de bactérias ambientais, Comamonadacae, cresce em plásticos espalhados por rios urbanos e sistemas de águas residuais. Mas o que, exatamente, essas bactérias Comamonas estão fazendo continua sendo um mistério.
Agora, pesquisadores liderados pela Northwestern University descobriram como células de uma bactéria Comamonas estão quebrando plástico para obter alimento. Primeiro, elas mastigam o plástico em pequenos pedaços, chamados nanoplásticos. Então, elas secretam uma enzima especializada que quebra o plástico ainda mais. Finalmente, as bactérias usam um anel de átomos de carbono do plástico como fonte de alimento, descobriram os pesquisadores.
A descoberta abre novas possibilidades para o desenvolvimento de soluções de engenharia baseadas em bactérias para ajudar a limpar resíduos plásticos difíceis de remover, que poluem a água potável e prejudicam a vida selvagem.
O estudo será publicado na quinta-feira (3 de outubro) na revista Environmental Science & Technology.
“Mostramos sistematicamente, pela primeira vez, que uma bactéria de águas residuais pode pegar um material plástico inicial, deteriorá-lo, fragmentá-lo, quebrá-lo e usá-lo como fonte de carbono”, disse Ludmilla Aristilde, da Northwestern, que liderou o estudo. “É incrível que essa bactéria possa realizar todo esse processo, e identificamos uma enzima-chave responsável por quebrar os materiais plásticos. Isso poderia ser otimizado e explorado para ajudar a se livrar dos plásticos no meio ambiente.”
Especialista na dinâmica de compostos orgânicos em processos ambientais, Aristilde é professora associada de engenharia ambiental na McCormick School of Engineering da Northwestern. Ela também é membro do Center for Synthetic Biology, do International Institute for Nanotechnology e do Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Os coautores do estudo são Rebecca Wilkes, ex-aluna de doutorado no laboratório de Aristilde, e Nanqing Zhou, atual associada de pós-doutorado no laboratório de Aristilde. Vários ex-pesquisadores de graduação e pós-graduação do Aristilde Lab também contribuíram para o trabalho.
O problema da poluição
O novo estudo se baseia em pesquisas anteriores da equipe de Aristilde, que desvendaram os mecanismos que permitem que Comamonas testosteri metabolize carbonos simples gerados a partir de plantas e plásticos decompostos. Na nova pesquisa, Aristilde e sua equipe novamente analisaram C. testosteroni , que cresce em tereftalato de polietileno (PET), um tipo de plástico comumente usado em embalagens de alimentos e garrafas de bebidas. Como não se decompõe facilmente, o PET é um grande contribuinte para a poluição plástica.
“É importante notar que os plásticos PET representam 12% do uso total global de plásticos”, disse Aristilde. “E são responsáveis por até 50% dos microplásticos em águas residuais.”
Capacidade inata de degradar plásticos
Para entender melhor como a C. testosteroni interage e se alimenta do plástico, Aristilde e sua equipe usaram várias abordagens teóricas e experimentais. Primeiro, eles pegaram a bactéria — isolada de águas residuais — e a cultivaram em filmes e pellets de PET. Então, eles usaram microscopia avançada para observar como a superfície do material plástico mudou ao longo do tempo. Em seguida, eles examinaram a água ao redor da bactéria, buscando evidências de plástico quebrado em pedaços menores de tamanho nanométrico. E, finalmente, os pesquisadores olharam dentro da bactéria para identificar ferramentas que a bactéria usou para ajudar a degradar o PET.
“Na presença da bactéria, os microplásticos foram quebrados em pequenas nanopartículas de plástico”, disse Aristilde. “Descobrimos que a bactéria de águas residuais tem uma capacidade inata de degradar plástico até monômeros, pequenos blocos de construção que se juntam para formar polímeros. Essas pequenas unidades são uma fonte biodisponível de carbono que as bactérias podem usar para o crescimento.”
Após confirmar que C. testosteroni , de fato, pode quebrar plásticos, Aristilde quis aprender como. Por meio de técnicas ômicas que podem medir todas as enzimas dentro da célula, sua equipe descobriu uma enzima específica que a bactéria expressou quando exposta a plásticos PET. Para explorar mais a fundo o papel dessa enzima, Aristilde pediu a colaboradores do Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee, que preparassem células bacterianas sem a capacidade de expressar a enzima. Notavelmente, sem essa enzima, a capacidade da bactéria de degradar plástico foi perdida ou significativamente diminuída.
Como os plásticos mudam na água
Embora Aristilde imagine que essa descoberta possa ser aproveitada para soluções ambientais, ela também diz que esse novo conhecimento pode ajudar as pessoas a entender melhor como os plásticos evoluem nas águas residuais.
“Águas residuais são um enorme reservatório de microplásticos e nanoplásticos”, disse Aristilde. “A maioria das pessoas pensa que os nanoplásticos entram nas estações de tratamento de águas residuais como nanoplásticos. Mas estamos mostrando que os nanoplásticos podem ser formados durante o tratamento de águas residuais por meio da atividade microbiana. Isso é algo a que precisamos prestar atenção enquanto nossa sociedade tenta entender o comportamento dos plásticos ao longo de sua jornada das águas residuais aos rios e lagos receptores.”
O estudo, “Mecanismos de fragmentação de pellets de tereftalato de polietileno em nanoplásticos e carbonos assimiláveis por Comamonas de águas residuais”, foi apoiado pela National Science Foundation (número do prêmio CHE-2109097).
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Northwestern University . Original escrito por Amanda Morris. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e ao comprimento.
Referência do periódico :
Rebecca A. Wilkes, Nanqing Zhou, Austin L. Carroll, Ojaswi Aryal, Kelly P. Teitel, Rebecca S. Wilson, Lichun Zhang, Arushi Kapoor, Edgar Castaneda, Adam M. Guss, Jacob R. Waldbauer, Ludmilla Aristilde. Mechanisms of Polyethylene Terephthalate Pellet Fragmentation into Nanoplastics and Assimilable Carbons by Wastewater Comamonas. Environmental Science & Technology, 2024; DOI: 10.1021/acs.est.4c06645
