Preview

Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология

Расширенный поиск

Перспективы переработки пластиковых отходов на основе полиэтиленгликольтерефталата с применением живых систем (обзор)

https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-2-238-253

Аннотация

В последние годы биодеградация полиэтиленгликольтерефталата стала играть важную роль в решении проблемы загрязнения окружающей среды пластиковыми отходами. В данном обзоре обобщена новейшая информация о различных микроорганизмах, способных к биодеградации полиэтиленгликольтерефталата. Подробно изучены механизмы ферментативных реакций гидролиза полиэтиленгликольтерефталата и строение ферментов биодеградации. В обзоре рассмотрены существующие проблемы промышленной реализации метода биодеградации полиэтиленгликольтерефталата и высказаны некоторые соображения по продвижению соответствующих технологий утилизации отходов на основе полиэтиленгликольтерефталата. Биодеградация является привлекательным современным методом экологически чистого и эффективного удаления отходов пластмасс. Актуальность данной темы объясняется тем, что еще не разработаны технологии, позволяющие в коммерческих масштабах утилизировать полиэтиленгликольтерефталат путем биодеградации. В этой области проводится большое количество исследований, очевидно, что разработка рентабельных и высоко технологичных процессов биодеградации – это вопрос времени. Будущие достижения в этой области будут основаны на стратегиях синтетической биологии и метаболической инженерии. Их целью станет конструирование искусственных микробных консорциумов и модифицирование микробных гидролаз полиэтиленгликольтерефталата, нацеленных на более полную биодеградацию и биоконверсию полиэтиленгликольтерефталата и других сложных полимеров.

Об авторах

Д. В. Белов
Институт прикладной физики РАН
Россия

Д. В. Белов, к.х.н., доцент, старший научный сотрудник


603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46



С. Н. Беляев
Институт прикладной физики РАН
Россия

С. Н. Беляев, младший научный сотрудник


603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46



Список литературы

1. Awaja F., Pavel D. Recycling of PET. European Polymer Journal. 2005;41(7):1453-1477. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2005.02.005.

2. Sinha V. K., Patel M. R., Patel J. V. Pet Waste management by chemical recycling. Journal of Polymers and the Environment. 2010;18(1):8-25. https://doi.org/10.1007/s10924-008-0106-7.

3. Marten E., Müller R.-J., Deckwer W.-D. Studies on the enzymatic hydrolysis of polyesters. II. Aliphatic–aromatic copolyesters. Polymer Degradation and Stability. 2005;88(3):371-381. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2004.12.001.

4. Sang T., Wallis C. J., Hill G., Britovsek J. P. G. Polyethylene terephthalate degradation under natural and accelerated weathering conditions. European Polymer Journal. 2020;136:109873. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2020.109873.

5. Ragaert K., Delva L., Van Geem K. Mechanical and chemical recycling of solid plastic waste. Waste Management. 2017;69:24-58. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.07.044.

6. Jaiswal S., Sharma B., Shukla P. Integrated approaches in microbial degradation of plastics. Environmental Technology & Innovation. 2019;17: 100567. https://doi.org/10.1016/j.eti.2019.100567.

7. Song Y., Cao C., Qiu R., Hu J., Liu M., Lu S. Uptake and adverse effects of polyethylene terephthalate microplastics fibers on terrestrial snails (Achatina fulica) after soil exposure. Environmental Pollution. 2019;250:447-455. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.04.066.

8. Liu C., Shi C., Zhu S., Wei R., Yin C.-C. Structural and functional characterization of polyethylene terephthalate hydrolase from Ideonella sakaiensis. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2018;508(1):289-294. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2018.11.148.

9. Kawai F., Kawabata T., Oda M. Current knowledge on enzymatic PET degradation and its possible application to waste stream management and other fields. Applied Microbiology and Biotechnology. 2019;103:4253-4268. https://doi.org/10.1007/s00253-019-09717-y.

10. Vuong V. T., Wilson B. D. Engineering Thermobifida fusca cellulases: catalytic mechanisms and improved activity. Proteomics Research Journal. 2010;4(1-2):21-37. https://www.researchgate.net/publication/233752023.

11. Gomez del Pulgar E. M., Saadeddin A. The cellulolytic system of Thermobifida fusca. Critical Reviews in Microbiology. 2013;40(3):236-247. https://doi.org/10.3109/1040841x.2013.776512.

12. Wei R., Zimmermann W. Biocatalysis as a green route for recycling the recalcitrant plastic polyethylene terephthalate. Microbial Biotechnology. 2017;10:1302- 1307. https://doi.org/10.1111/1751-7915.12714.

13. Carr C. M., Clarke D. J., Dobson A. D. W. Microbial polyethylene terephthalate hydrolases: current and future perspectives. Frontiers in Microbiology. 2020;11:571265. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.571265.

14. Kawai F., Kawabata T., Oda M. Current state and perspectives related to the polyethylene terephthalate hydrolases available for biorecycling. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2020;8: 8894-8908. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c01638.

15. Then J., Wei R., Oeser T., Gerdts A., Schmidt J., Barth M., et al. A disulfide bridge in the calcium binding site of a polyester hydrolase increases its thermal stability and activity against polyethylene terephthalate. FEBS Open Bio. 2016;6: 425-432. https://doi.org/10.1002/2211-5463.12053.

16. Roth C., Wei R., Oeser T., Then J., Föllner C., Zimmermann W., et al. Structural and functional studies on a thermostable polyethylene terephthalate degrading hydrolase from Thermobifida fusca. Applied Microbiology and Biotechnology. 2014; 98:7815-7823. https://doi.org/10.1007/s00253-014-5672-0.

17. Bollinger A., Thies S., Knieps-Grünhagen E., Gertzen C., Kobus S., Höppner A., et al. A novel polyester hydrolase from the marine bacterium Pseudomonas aestusnigri – structural and functional insights. Frontiers in Microbiology. 2020;11(114). https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00114.

18. Danso D., Chow J., Streit W. R. Plastics: microbial degradation, environmental and biotechnological perspectives. Applied and Environmental Microbiology. 2019;85:01095-1019. https://doi.org/10.1128/AEM.01095-19.

19. Ronkvist A., Xie W., Lu W., Gross R. A. Cutinase-catalyzed hydrolysis of poly(ethylene terephthalate). Macromolecules. 2009;42:5128-5138. https://doi.org/10.1021/ma9005318.

20. Taniguchi I., Yoshida S., Hiraga K., Miyamoto K., Kimura Y., Oda K. Biodegradation of PET: current status and application aspects. ACS Catalysis. 2019;9(5):4089-4105. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b05171.

21. Yoshida S., Hiraga K., Takehana T., Taniguchi I., Yamaji H., Maeda Y., et al. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science. 2016;351(6278):1196-1199. https://doi.org/10.1126/science.aad6359.

22. Tanasupawat S., Takehana T., Yoshida S., Hiraga K., Oda K. Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephthalate). International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2016;66: 2813-2818. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.001058.

23. Bornscheuer U. T. Feeding on plastic. Science. 2016;351(6278):1154-1155. https://doi.org/10.1126/science.aaf2853.

24. Silva C. M., Carneiro F., O’Neill A., Fonseca L. P., Cabral J. S., Guebitz G., et al. Cutinase – a new tool for biomodification of synthetic fibers. Journal of Polymer Science. Part A – Polymer Chemistry. 2005;43: 2448-2450. https://doi.org/10.1002/pola.20684.

25. Sulaiman S., Yamato S., Kanaya E., Kim J.-J., Koga Y., Takano K., et al. Isolation of a novel cutinase homolog with polyethylene terephthalatedegrading activity from leaf-branch compost by using a metagenomic approach. Applied and Environmental Microbiology. 2012;78:1556-1562. https://doi.org/10.1128/aem.06725-11.

26. Palm G. J., Reisky L., Böttcher D., Müller H., Michels E. A. P., Walczak M. C., et al. Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate. Nature Communications. 2019;10(1):1717. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09326-3.

27. Liu C. C., Shi C., Zhu S., Wei R., Yin C. C. Crystal structure of PETase from Ideonella sakaiensis. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2019;508:289-294. https://doi.org/10.2210/pdb6ILW/pdb.

28. Austin H. P., Allen M. D., Donohoe B. S., Rorrer N. A., Kearns F. L., Silveira R. L., et al. Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018;115(19):E4350-E4357. https://doi.org/10.1073/pnas.1718804115.

29. Furukawa M., Kawakami N., Tomizawa A., Miyamoto K. Efficient degradation of poly(ethylene terephthalate) with Thermobifida fusca cutinase exhibiting improved catalytic activity generated using mutagenesis and additive-based approaches. Scientific Reports. 2019;9(1). https://doi.org/10.1038/s41598-019-52379-z.

30. Chen S., Su L., Chen J., Wu J. Cutinase: characteristics, preparation, and application. Biotechnology Advances. 2013;31:1754-1767. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2013.09.005.

31. Joo S., Cho I. J., Seo H., Son H. F., Sagong H.-Y., Shin T. J., et al. Structural insight into molecular mechanism of poly(ethylene terephthalate) degradation. Nature Communications. 2018;9(382):1-12. https://doi.org/10.1038/s41467-018-02881-1.

32. Liu B., He L., Wang L., Li T., Li C., Liu H., et al. Protein crystallography and site-direct mutagenesis analysis of the poly (ethylene terephthalate) hydrolase petase from Ideonella sakaiensis. ChemBioChem. 2018;19:1471-1475. https://doi.org/10.1002/cbic.201800097.

33. Fecker T., Galaz-Davison P., Engelberger F., Narui Y., Sotomayor M., Parra L. P., et al. Active site flexibility as a hallmark for efficient PET degradation by I. sakaiensis PETase. Biophysical Journal. 2018;114:1302-1312. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2018.02.005.

34. Renault L., Nègre V., Hotelier T., Cousin X., Marchot P., Chatonnet A. New friendly tools for users of ESTHER, the database of the α/β-hydrolase fold superfamily of proteins. Chemico-Biological Interactions. 2005;157-158:339-343. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2005.10.100.

35. Knott B. C., Erickson E., Allen M. D., Gado J. E., Graham R., Kearns F. L., et al. Characterization and engineering of a two-enzyme system for plastics depolymerization. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020;117(41):25476-25485. https://doi.org/10.1073/pnas.2006753117.

36. Allen M. D., Johnson C. W., Knott B. C., Beckham G. T., McGeehan J. E. Structure of MHETase from Ideonella sakaiensis. Biotechnology and Biological Sciences Research Council. 2020;117: 25476-25485. https://doi.org/10.2210/pdb6QZ4/pdb.

37. Sagong H.-Y., Seo H., Kim T., Son H. F., Joo S., Lee S. H., et al. Decomposition of the PET film by MHETase using exo-PETase function. ACS Catalysis. 2020;10:4805-4812. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b05604.

38. Chen C. C., Han X., Ko T. P., Liu W., Guo R. T. Structural studies reveal the molecular mechanism of PETase. FEBS Journal. 2018;285:3717-3723. https://doi.org/10.1111/febs.14612.

39. Han X., Liu W., Huang J.-W., Ma J., Zheng Y., Ko T.-P., et al. Structural insight into catalytic mechanism of PET hydrolase. Nature Communications. 2017;8:1-7. https://doi.org/10.1038/s41467-017-02255-z.

40. Mückschel B., Simon O., Klebensberger J., Graf N., Rosche B., Altenbuchner J., et al. Ethylene glycol metabolism by Pseudomonas putida. Applied and Environmental Microbiology. 2012;78:8531- 8539. https://doi.org/10.1128/aem.02062-12.

41. Tournier V., Topham C. M., Gilles A., David B., Folgoas C., Moya-Leclair E. An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature. 2020;580:216-219. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2149-4.

42. Sheehan R. J. Terephthalic acid, dimethyl terephthalate, and isophthalic acid. In: Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry. Wiley; 2011. https://doi.org/10.1002/14356007.a26_193.pub2.

43. Samak N. A., Jia Y., Sharshar M. M., Mu T., Yang M., Peh S., et al. Recent advances in biocatalysts engineering for polyethylene terephthalate plastic waste green recycling. Environment International. 2020;145:1-18. https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.106144.

44. Sheldon R. A., Norton M. Green chemistry and the plastic pollution challenge: towards a circular economy. Green Chemistry. 2020;22(19):6310- 6322. https://doi.org/10.1039/D0GC02630A.


Рецензия

Для цитирования:


Белов Д.В., Беляев С.Н. Перспективы переработки пластиковых отходов на основе полиэтиленгликольтерефталата с применением живых систем (обзор). Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022;12(2):238-253. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-2-238-253

For citation:


Belov D.V., Belyaev S.N. Prospects for recycling plastic waste based on polyethylene glycol terephthalate using living systems (a review). Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2022;12(2):238-253. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-2-238-253

Просмотров: 528


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2227-2925 (Print)
ISSN 2500-1558 (Online)