Biodegradation of polyethylene using soil bacteria and rhamnolipids

• Autorzy: Pokynbroda Tetiana , Koretska Nataliia , Gąszczak Agnieszka , Szczyrba Elżbieta

Warianty tytułu

PL

Biodegradacja polietylenu z wykorzystaniem bakterii glebowych i ramnolipidów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Seven strains of bacteria were isolated from the landfill. The isolates were co-cultivated with LDPE and rhamnolipids. Changes in the structure of LDPE films after 28 days of exposure to bacteria were confirmed by FTIR spectroscopy. The toxicity of plastic biodegradation products in a liquid nutrient medium was investigated and their safety for plants was shown. However, these biodegradation products have acute lethal toxicity for the crustacean Daphnia magna.

PL

Polietylen to tworzywo termoplastyczne o niezwykle szerokim zakresie zastosowań, m.in. w produkcji opakowań jednorazowego użytku. Jest uważany za jeden z najczęściej produkowanych polimerów syntetycznych na świecie. Poszukiwania skutecznych drobnoustrojów-destruktorów tworzyw sztucznych prowadzone są od wielu lat w różnych środowiskach, takich jak gleba z namorzynów, wysypiska śmieci, woda morska, larwy i in. Wyizolowano kilka rodzajów grzybów i bakterii rozkładających różne tworzywa sztuczne, ale stopień degradacji wciąż jest niezadowalający. Biodegradacja plastików jest bardzo powolna ze względu na ich hydrofobowość, która utrudnia mikroorganizmom przyczepienie się do ich powierzchni. Pierwszym zadaniem była izolacja bakterii – potencjalnych destruktorów plastiku. Z gleby skażonej odpadami (wysypisko śmieci) sporządzono ekstrakt, który wraz z folią polietylenową (jako jedynym źródłem węgla) wprowadzono do roztworu soli mineralnych. Po trzech tygodniach inkubacji rozpoczęto testy skriningowe bakterii. Ostatecznie wyizolowano siedem różnych szczepów bakterii i oznaczono ich cechy morfologiczne. Ustalono, że wśród izolatów bakteryjnych pięć jest gram-ujemnych, a dwa gram-dodatnie. Cztery z nich wytwarzają katalazę, pięć hydrolizuje żelatynę i kazeinę, dwa hydrolizują skrobię, a dwa produkują lecytynazę (Tabela 1). Badając fitopatogenność bakterii ustalono, że jeden rodzaj drobnoustrojów jest zdolny do wywoływania chorób roślin (ziemniaka). Przeprowadzono eksperymenty dotyczące degradacji folii polietylenowych przez wyizolowane szczepy bakteryjne. Dla przyspieszenia degradacji plastiku, bakterie były hodowane także w obecności biosurfaktantów (ramnolipidy, 0,1 g/l). Eksperyment trwał 28 dni. W hodowlach bez biosurfaktantów zaobserwowano tylko niewielkie wahania zmętnienia czyli nie uzyskano przyrostu biomasy. Natomiast w hodowlach zawierających ramnolipidy, między czwartym a szóstym dniem zaobserwowano gwałtowny wzrost zmętnienia podłoża. Wskazuje to na adaptację metabolizmu bakterii do biosurfaktantów i wykorzystanie ramnolipidów jako źródła węgla. Po dwudziestym dniu wzrostu obserwujemy gwałtowny spadek zmętnienia podłoża, będący skutkiem tworzenia się grudek biomasy. Analizując widma uzyskane metodą ATR-FTIR, zauważono zmniejszenie wysokości pików dla liczb falowych 2850 i 2920 (odpowiadających wiązaniom C-H) oraz pojawienie się niewielkiego zaburzenia dla liczby 2350. Pokrywające się widma folii LDPE degradowanych przez bakterie w obecności lub przy braku biosurfaktantu, sugerują brak wpływu ramnolipidu na biodegradację tego tworzywa. Po raz pierwszy zbadano i porównano toksyczność i fitotoksyczność produktów biodegradacji polietylenu i bioplastiku, obecnych w płynie pohodowlanym. Wykazano bezpieczeństwo produktów biodegradacji polietylenu i biotworzyw dla wybranych roślin jedno- i dwuliściennych (pszenica zwyczajna (Triticum aestivum L. i rzeżucha siewna Lepidium sativum). Stopień ich toksyczności nie przekraczał 10%. Jednak dla środowiska wodnego produkty biodegradacji polietylenu są niebezpieczne i wykazują toksyczność ostrą dla skorupiaków Daphnia magna (stopień toksyczności 51% dla polietylenu i 55% dla polietylenu z ramnolipidami w porównaniu z 7% dla biotworzyw). Takie rezultaty wskazują na szkodliwość dla środowiska wodnego nie tylko tworzyw sztucznych, ale także produktów ich biodegradacji. Wykazano, że w przeciwieństwie do polietylenu produkty biodegradacji biotworzyw (worki na odpady organiczne, produkowane ze skrobi, 7P0595) są bezpieczne zarówno dla roślin, jak i dla skorupiaków Daphnia magna. Spadek kąta zwilżania po 28 dniach hodowli obserwowany był we wszystkich układach, co oznacza, że folie polietylenu stały się bardziej hydrofilowe i podatne na biodegradację. Odnotowano także nieznaczny spadek masy folii. W celu weryfikacji skuteczności wyizolowanych bakterii, eksperymenty należy powtórzyć zdecydowanie wydłużając czas prowadzenia hodowli.

Słowa kluczowe

EN

biodegradation; polyethylene; rhamnolipids

PL

biodegradacja; polietylen; ramnolipidy

• Wydawca: Instytut Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk
• Czasopismo: Prace Naukowe Instytutu Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 26
• Strony: 73--91
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pokynbroda Tetiana

• Department of Physical Chemistry of Fossil Fuels of the Institute of Physical-Organic Chemistry and Coal Chemistry named after L. M. Lytvynenko of the National Academy of Sciences of Ukraine, Naukova str, 79060, Lviv, Ukraine

autor

Koretska Nataliia

• Department of Physical Chemistry of Fossil Fuels of the Institute of Physical-Organic Chemistry and Coal Chemistry named after L. M. Lytvynenko of the National Academy of Sciences of Ukraine, Naukova str, 79060, Lviv, Ukraine

autor

Gąszczak Agnieszka

• The Institute of Chemical Engineering, Polish Academy of Sciences, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice

autor

Szczyrba Elżbieta

• The Institute of Chemical Engineering, Polish Academy of Sciences, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice

Bibliografia

• [1] J.J. Klemeš, Y.V. Fan, P. Jiang, Plastics: Friends or Foes? The Circularity and Plastic Waste Footprint. Energy Sources Part Recovery Util. Environ. Eff. 43 (2021), 1549–1565. DOI 10.1080/15567036.2020.1801906.
• [2] A.L. Patrício Silva, J.C. Prata, A.C. Duarte, D. Barcelò, T. Rocha-Santos, An urgent call to think globally and act locally on landfill disposable plastics under and after covid-19 pandemic: Pollution prevention and technological (Bio) remediation solutions, Chemical Engineering Journal, 426 (2021), 131201, ISSN 1385-8947, DOI: 10.1016/j.cej.2021.131201
• [3] S.Ghatge, Y. Yang, J-H. Ahn, H-G. Hur, Biodegradation of polyethylene: a brief review. Appl. Biol. Chem. 63 (2020), DOI:10.1186/s13765-020-00511-3
• [4] S. K. Sen, S. Raut, Microbial degradation of low-density polyethylene (LDPE): A review. J. Environ. Chem. Eng. 3 (2016), 462-473. DOI: 10.1016/j.jece.2015.01.003.
• [5] A. Gajendiran, S. Krishnamoorthy, J. Abraham, Microbial degradation of low-density polyeth-ylene (LDPE) by Aspergillus clavatus strain JASK1 isolated from landfill soil. 3 Biotech 6, 52 (2016). DOI:10.1007/s13205-016-0394-x.
• [6] Z. Montazer, N. Habibi M. B., & Levin, D. B. (2020). Challenges with verifying microbial degradation of polyethylene. Polymers, 12(1), 123.)
• [7] L.Ren, L. Men, Z. Zhang, F. Guan, J. Tian, B. Wang, J. Wang, Y. Zhang, W. Zhang, Biodegra-dation of Polyethylene by Enterobacter sp D1 from the Guts of Wax Moth Galleria mellonella. Int J Environ Res Public Health 16 (2019), 1941
• [8] P. Bulak, K. Proc, A. Pytlak, A. Puszka, B. Gawdzik, A. Bieganowski A. Biodegradation of Different Types of Plastics by Tenebrio molitor Insect. Polymers (Basel). 2021 Oct 13;13(20):3508. DOI: 10.3390/polym13203508.
• [9] J.Yang, Y. Yang, WM. Wu, J. Zhao, L. Jiang, Evidence of polyethylene biodegradation by bac-terial strains from the guts of plastic‑eating waxworms. Environ. Sci. Technol. 2014, 48, 23, 13776–13784
• [10] M. Sudhakar, Mukesh Doble, P. Sriyutha Murthy, R. Venkatesan, Marine microbe-mediated biodegradation of low- and high-density polyethylenes, International Biodeterioration & Bio-degradation, 61, 3, (2008), 203-213, DOI:10.1016/j.ibiod.2007.07.011
• [11] A. Ammala, S. Bateman, K. Dean, E. Petinakis, P. Sangwan, S. Wong, Q. Yuan, L. Yu, C.Pat-rick, K.H. Leong, An overview of degradable and biodegradable polyolefins, Progress in Poly-mer Science, 36 (8), (2011), 1015-1049, DOI:10.1016/j.progpolymsci.2010.12.002.
• [12] S. Bonhomme, A Cuer, A-M Delort, J Lemaire, M Sancelme, G Scott, Environmental biodeg-radation of polyethylene, Polymer Degradation and Stability, 81, 3, (2003), 441-452, DOI:10.1016/S0141-3910(03)00129-0
• [13] Heera Rajandas, Sivachandran Parimannan, Kathiresan Sathasivam, Manickam Ravichandran, Lee Su Yin, A novel FTIR-ATR spectroscopy based technique for the estimation of low-density polyethylene biodegradation, Polymer Testing, 31 (8), (2012), 1094-1099, DOI: 10.1016/j.polymertesting.2012.07.015.
• [14] S.Kumar, M. Das, Microbial Deterioration of Low-Density Polyethylene by Aspergillus and Fusarium sp., International Journal of Chem.Tech. Research. 6 (2014), 974-4290.
• [15] Z. Montazer, Habibi Najafi, Mohammad B. & Levin, David. (2018). Microbial degradation of low-density polyethylene and synthesis of polyhydroxyalkanoate polymers. Canadian Journal of Microbiology. 65. 10.1139/cjm-2018-0335.
• [16] Kyaw, B.M., Champakalakshmi, R., Sakharkar, M.K. et al. Biodegradation of Low-Density Polythene (LDPE) by Pseudomonas Species. Indian J Microbiol 52, 411–419 (2012). https://doi.org/10.1007/s12088-012-0250-6
• [17] Edith B. Mouafo Tamnou, Antoine Tamsa Arfao, Mireille E. Nougang, Claire S. Metsopkeng, Olive V. Noah Ewoti, Luciane M. Moungang, Paul A. Nana, Linda-Rose Atem Takang-Etta, Fanny Perrière, Télesphore Sime-Ngando, Moïse Nola, Biodegradation of polyethylene by the bacterium Pseudomonas aeruginosa in acidic aquatic microcosm and effect of the environmental temperature, Environmental Challenges, 3, (2021), 100056, DOI:10.1016/j.envc.2021.100056.
• [18] Peixoto J, Vizzotto C, Ramos A, Alves G, Steindorff A, Krüger R. The role of nitrogen metab-olism on polyethylene biodegradation. J Hazard Mater. (2022);432:128682. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.128682.
• [19] Albertsson, Ann-Christine & Sares, Chr & Karlsson, Sigbritt. (2003). Increased biodegradation of LDPE with a nonionic surfactant. Acta Polymerica. 44. 243 – 246, DOI:10.1002/actp.1993.010440506.
• [20] Tribedi P, Sil AK. Low-density polyethylene degradation by Pseudomonas sp. AKS2 biofilm. Environ Sci Pollut Res Int. 2013 Jun;20(6):4146-53. DOI: 10.1007/s11356-012-1378-y
• [21] Sigbritt Karlsson, Olle Ljungquist, Ann-Christine Albertsson, Biodegradation of polyethylene and the influence of surfactants, Polymer Degradation and Stability, 21(3), (1988), 237-250, DOI: 10.1016/0141-3910(88)90030-4.
• [22] Navid Taghavi, Wei-Qin Zhuang, Saeid Baroutian, Effect of rhamnolipid biosurfactant on bi-odegradation of untreated and UV-pretreated non-degradable thermoplastics: Part 2, Journal of Environmental Chemical Engineering, 10 (1), 2022)
• [23] ,107033,ISSN 2213-3437, https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107033 https://www.sciencedi-rect.com/science/article/abs/pii/S2213343721020108
• [24] P.P. Vimala, Lea Mathew, Biodegradation of Polyethylene Using Bacillus Subtilis, Procedia Technology, Volume 24, 2016, Pages 232-239, ISSN 2212-0173, https://doi.org/10.1016/j.protcy.2016.05.031.
• [25] Xue, Sw., Huang, C., Tian, Yx. et al. Synergistic Effect of Rhamnolipids and Inoculation on the Bioremediation of Petroleum-Contaminated Soils by Bacterial Consortia. Curr Microbiol 77, 997–1005 (2020). https://doi.org/10.1007/s00284-020-01899-3
• [26] Bharali, Pranjal & Das, S. & Ray, Anggana & Singh, Salam & Bora, Utpal & Konwar, Bolin & B, Singh & Sahoo, Dinabandhu. (2018). Biocompatibility natural effect of rhamnolipids in bioremediation process on different biological systems at the site of contamination. Bioremedi-ation Journal. 22. 1-12. Environ. Sci. Technol. 2014, 48, 23, 13776–13784 Navid Taghavi, Naresh Singhal, Wei-Qin Zhuang, Saeid Baroutian, Degradation of plastic waste using stimu-lated and naturally occurring microbial strains, Chemosphere, Volume 263, 2021, 127975, ISSN 0045-6535, https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127975(https://www.sciencedi-rect.com/science/article/pii/S0045653520321706
• [27] Tim Sandle, 9 - Microbial identification, Editor(s): Tim Sandle, Pharmaceutical Microbiology, Woodhead Publishing, 2016, Pages 103-113, ISBN 9780081000229, https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100022-9.00009-8.
• [28] https://microbiologyinfo.com
• [29] Antibacterial Efficacy of Aqueous Plant Extracts against Storage Soft Rot of Potato Caused by Erwinia carotovora H.S. Viswanath, K.A. Bhat, N.A. Bhat, T.A. Wani and Mohammad Najeeb Mughal https://doi.org/10.20546/ijcmas.2018.701.314
• [30] T. Pokynbroda, I. Karpenko, H. Midyana, O. Karpenko. Isolation of Surfactants Synthesized by the Pseudomonas Bacteria and Study of Their Properties. Innov Biosyst Bioeng, Vol 3, No 2 (2019) : https://doi.org/10.20535/ibb.2019.3.2.165838.
• [31] Pablo Machado Mendes, Jardel Araujo Ribeiro, Gabriel Afonso Martins, Thomaz Lucia, Thayli Ramires Araujo, Miguel David Fuentes-Guevara, Luciara Bilhalva Corrêa, Érico Kunde Corrêa, Phytotoxicity test in check: Proposition of methodology for comparison of different method adaptations usually used worldwide, Journal of Environmental Management, Volume 291, 2021, 112698, ISSN 0301-4797, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112698.
• [32] Persoone, G., Baudo, R., Cotman, M., Blaise, C., Thompson, K. C., Moreira-Santos, M., ... & Han, T. (2009). Review on the acute Daphnia magna toxicity test–Evaluation of the sensitivity and the precision of assays performed with organisms from laboratory cultures or hatched from dormant eggs. Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems, (393), 01

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).