Biodegradation of synthetic and biodegradable plastics by leachate microbiomes

Abstract

Nos últimos anos, várias estratégias têm sido desenvolvidas para colmatar a acumulação de plásticos no ambiente, como a descoberta de novos microrganismos e enzimas que consigam eficientemente biodegradar plásticos. Neste trabalho, as comunidades microbianas de lixiviado, em aerobiose e anaerobiose em condições termófilas, foram estudadas pela sua capacidade de biodegradar polímeros não-biodegradáveis (PE (polietileno) e PET (politereftalato de etileno)) e biodegradáveis (PCL (policaprolactona e PHB/PBAT (polihidroxibutirato/poli (butileno adipato-co-tereftalato)). Esta biodegradação também foi testada utilizando sedimento marinho como inóculo, em condições aeróbicas, metanogénicas e sulfato-redutores em temperaturas mesófilas. As experiências com lixiviado demonstraram uma biodegradação completa com PCL em pó, em condições anaeróbicas e aeróbicas (103 ± 18 % e 99 ± 6 %, respetivamente), observando-se, também, uma biodegradação completa para o PCL em filme em condições anaeróbias (100 ± 0,2%), e uma biodegradação de 28 a 100% em condições aeróbias. PHB/PBAT demonstrou uma biodegradação parcial (24 % ± 0,2 %) em anaerobiose. Contudo, não se observou uma produção de metano/consumo de oxigénio significativa para o PE e PET, resultando numa baixa biodegradação. Mesmo assim, um dos ensaios demonstrou uma biodegradação aparente de 5 ± 2%, ao fim de 180 dias. As comunidades microbianas dos ensaios com PCL demonstraram ser distintas e diversas. Coprothermobacter estava presente em grande abundância nos ensaios aeróbios e anaeróbios e poderá ter estado diretamente ligado à biodegradação de PCL. Methanothermobacter demonstrou ser o microrganismo metanogénico mais abundante (mais de 55 % abundância relativa), tendo um papel importante na conversão do PCL a metano. Nos estudos com sedimento marinho, o PCL demonstrou ser biodegradado em condições aeróbias e sulfato-redutoras, mas não em condições metanogénicas. Até ao momento, a comunidade microbiana de sedimento não demonstrou ter capacidade para biodegradar PE e PET Estes resultados demostram que lixiviado e sedimento marinho são potenciais fontes de microrganismos com a capacidade de biodegradar PCL, sendo necessário mais estudos para isolar e caracterizar estas comunidades microbianas.

In the last decades, various strategies have been developed to overcome the plastic waste problem, such as using biodegradable polymers, applying treatments that facilitate plastic degradation, and discovering novel microorganisms and enzymes that are capable of biodegrading complex polymers. This work explored leachate microbial communities in aerobic and anaerobic thermophilic conditions for their ability to biodegrade non-biodegradable (PE (polyethylene) and PET (polyethylene terephthalate)) and biodegradable (PCL (polycaprolactone) and PHB/PBAT (polyhydroxy butyrate/polybutylene adipate co-terephthalate blend)) polymers. Biodegradation was also tested with microbiomes from marine sediment, under aerobic, methanogenic, and sulphate-reducing mesophilic conditions. With leachate, complete biodegradation of powder PCL was observed both under anaerobic and aerobic conditions (103 ± 18 % and 99 ± 6 %, respectively). PCL films were fully converted to methane (100 ± 0,2%) under anaerobic conditions, and biodegradation under aerobic conditions ranged from 28 to 100 %. The blend PHB/PBAT was partially biodegraded under anaerobic conditions (24 ± 0,2 %). Generally, no significant methane production or oxygen consumption were detected in the assays with PE and PET, indicating no considerable biodegradation. Nevertheless, in one assay PE was apparently converted to methane (5 ± 2 % in 180 days), but further analyses are necessary to confirm this biodegradation. PCL-degrading microbial communities developed under aerobic and anaerobic assays were diverse and distinct. Coprothermobacter sp. was very abundant in aerobic and anaerobic incubations and was potentially involved in PCL biodegradation in both conditions. Methanothermobacter sp. was the most abundant methanogen (over 55 % relative abundance), being an important player during PCL conversion to methane. PCL was also biodegraded by the marine sediment, under aerobic and sulphate-reducing conditions, but not under methanogenic conditions. Thus far, the marine sediment microbiome did not biodegrade PE and PET. These results show that leachate and marine sediment microbiomes are potentially good sources of microorganisms with the ability to biodegrade PCL, and further attempts should be made to isolate key microorganisms, obtain efficient microbial consortia, facilitate microbial access to the polymers, and stimulate the activity of plastic-degrading microorganisms.