アルプス山脈と北極圏に生息する微生物が、高温を必要とせずにプラスチックを分解することを発見した。この発見は予備的なものだが、埋立地にある産業用プラスチック廃棄物をより効率的かつ効果的に分解することができれば、人類は生態系へのダメージを軽減するための新しい手段を手にすることが出来る。
一部の微生物はプラスチックを消化する酵素を産生するが、これらの酵素を工業規模で利用するには通常30℃以上の温度が必要であり、コストがかかる。スイス連邦研究所（WSL）の科学者たちは、このたび、より低い温度で一部の生分解性プラスチックを分解できる細菌と真菌の菌株を多数発見した。スイスアルプスの高地や極地の土壌から採取されたこの種の低温適応微生物は、プラスチックリサイクルのための工業規模の酵素プロセスをコスト効率よく実現する可能性がある。
「プラスチックの分解を可能にする微生物はすでにいくつか見つかっていますが、これを可能にする酵素を工業的規模で応用する場合、通常、摂氏30度／華氏86度以上の温度でしか機能しません」と、研究者は説明している。「加熱が必要なため、工業的な応用は今日までコストが高く、カーボンニュートラルとは言えません」。
今回、アルプスの高山や北極圏の土壌の「plastisphere」から得られた新規の微生物分類が、15℃で生分解性プラスチックを分解できることを研究者らは示している。現在WSLでゲストサイエンティストを務めるJoel Rüthi氏は「これらの生物は、プラスチックの酵素によるリサイクルプロセスのコストと環境負荷を軽減するのに役立つ可能性があります」と、述べている。
世界の年間プラスチック生産量は、2020年に367メガトンに達し、現在も急速に増加していると著者は記している。「従来のプラスチックが環境中に残留していること、使い捨てプラスチックの過剰な使用、廃棄物の不始末が、重大な環境問題を引き起こしている。再利用とリサイクルのための従来の機械的および化学的アプローチには、”いくつかのかなりの欠点がある”と研究者は続けている。より持続可能なプラスチック経済のための代替アプローチには、バイオベースおよび生分解性プラスチックの使用や、「微生物のプラスチック分解酵素を用いた新しいリサイクル戦略」が含まれると、彼らは示唆した。
プラスチックを消化し、汚染に対処するのに役立つ生物を見つけ、培養し、バイオエンジニアリングすることは、現在、大きなビジネスにもなっている。しかし、プラスチックを分解する微生物はすでにいくつか見つかっているが、酵素を働かせるために加熱が必要なため、工業的な応用にはコストがかかり、カーボンニュートラルとは言えません。
そこで、低温で酵素を働かせることができる寒冷適応型の特殊な微生物を見つけることが、ひとつの解決策となる可能性がある。「しかし、低温に適応した微生物によるプラスチック分解の可能性は、これまでほとんど研究されていません」と科学者たちは述べている。Rüthi氏らは、グリーンランド、スバールバル、スイスで、放置されたプラスチックや意図的に埋められたプラスチック（1年間地中に保管されたもの）に生育する19株の細菌と15株の真菌を採取した。スヴァールバル島のプラスチックごみのほとんどは、学生たちが気候変動の影響を目の当たりにするフィールドワークを行った「Swiss Arctic Project 2018」で収集されたものであった。スイスの土壌は、グラウビュンデン州のミュオ・ダ・バーバ・ペイダー（標高2,979m）の山頂とヴァル・ラヴィルン渓谷で採取されたものだった。
分離された微生物は、実験室内で15℃の暗所で単株培養し、分子生物学的手法で同定した。その結果、細菌は放線菌門とプロテオバクテリア門の13属に、真菌は子嚢菌門と粘菌門の10属に属することが判明した。
次に、生分解性のないポリエチレン（PE）と生分解性のあるポリエステル-ポリウレタン（PUR）、さらにポリブチレンアジペートテレフタレート（PBAT）とポリ乳酸（PLA）という市販の生分解性混合物の無菌試料を消化する能力について、一連の試験法を用いて各株をスクリーニングした。
残念ながら、テストした微生物はどれも、消費者製品やパッケージによく見られる最も難しいプラスチックの1つであるポリエチレンを分解することには成功しなかった。(126日間培養しても分解されなかった。）しかし、試験した菌株の56％は、摂氏15度（華氏59度）で生分解性ポリエステル-ポリウレタン（PUR）を分解した。また、ポリブチレンアジペートテレフタレート（PBAT）とポリ乳酸（PLA）の市販の生分解性混合物を消化する菌株もあった。最も成功したのは、Neodevriesia属とLachnellula属の真菌の2株で、PE以外のすべてのプラスチックを分解したのだ。
プラスチックが登場したのは1950年代からなので、プラスチックを分解する能力は、もともと自然淘汰の対象となった形質ではなかったことはほぼ間違いない。では、プラスチックを消化する能力は、どのようにして獲得・進化したのだろうか？共著者であるWSLのシニアサイエンティストでグループリーダーのBeat Frey博士は、「微生物は、植物の細胞壁の分解に関わるさまざまなポリマー分解酵素を産生することが明らかになっています」と述べています。特に、植物病原性真菌は、植物ポリマーのクチンに似ていることからプラスチックポリマーを標的とするクチナーゼを産生する能力があるため、ポリエステルを生分解することがしばしば報告されている。
研究者たちは、今回の発見を有望視しているが、まだハードルが残っていると警告している。「次の大きな課題は、微生物株が生産するプラスチック分解酵素を特定することと、大量のタンパク質を得るためにプロセスを最適化することです。さらに、タンパク質の安定性などの特性を最適化するために、酵素のさらなる改良が必要かもしれません」と、Frey博士は述べている。
論文
- Frontiers in Microbiology: Discovery of plastic-degrading microbial strains isolated from the alpine and Arctic terrestrial plastisphere
参考文献
- EurekAlert!: Scientists discover microbes in the Alps and Arctic that can digest plastic at low temperatures
- Swissinfo.ch: Plastic-eating fungi discovered in Swiss Alps
研究の要旨
プラスチックの生産量が増加し、環境中に放出されるプラスチックもあることから、循環型のプラスチック経済が必要であることが強調されている。微生物は、ポリマーの生分解や酵素によるリサイクルによって、より持続可能なプラスチック経済を実現する大きな可能性を持っている。温度は生分解率に影響を与える重要なパラメータであるが、これまでのところ、微生物のプラスチック分解は20℃以上の温度で研究されることがほとんどである。ここでは、実験室での培養で高山や北極の土壌に埋められたプラスチックと、北極の陸上環境から直接採取したプラスチックを用いて、プラスチックの低温適応微生物34株を分離しました。従来のポリエチレン（PE）、生分解性プラスチックのポリエステル-ポリウレタン（PUR; Impranil®）、ポリブチレンアジペート-コ-テレフタレート（PBAT）とポリ乳酸（PLA）からなる2つの市販プラスチックフィルム、エコビオ®とBI-OPL、純PBAT、純PLAを15℃で分解する能力をテストした。寒天清澄化試験により、19株が分散したPURを分解する能力を有することが示された。重量減少分析では、ポリエステルプラスチックフィルムecovio®とBI-OPLがそれぞれ12株と5株によって分解されたが、PEを分解できた株はなかった。NMR分析では、生分解性プラスチックフィルム中のPBATとPLA成分が、それぞれ8株と7株によって著しく質量減少した。ポリマーを埋め込んだ蛍光プローブを用いた共加水分解実験により、多くの菌株がPBATを解重合する可能性があることが明らかになった。Neodevriesia株とLachnellula株は、試験したすべての生分解性プラスチック材料を分解することができ、これらの株は将来の応用に特に有望である。さらに、培養液の組成は微生物のプラスチック分解に強く影響し、菌株によって最適条件が異なることがわかった。本研究では、生分解性プラスチックフィルム、分散型PUR、PBATを分解する能力を持つ多くの新規微生物分類群を発見し、循環型プラスチック経済における生分解性ポリマーの役割を強調するための強力な基盤を提供した。
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