ARRS projekt J4-50148
Razumevanje mikrobne razgradnje za napredne trajnostne materiale in tehnike biorazgradnje za boj proti onesnaževanju s plastiko
Vodja projekta: dr. Miša Mojca Cajnko
Vsebinski opis projekta
Proizvodnja plastičnih materialov se od leta 1950 po vsem svetu povečuje zaradi njihove široke uporabe v sektorjih, kot so embalaža, kmetijstvo, gradbeništvo, elektronika itd. Letna svetovna proizvodnja plastike je >380 milijonov ton in to število se povečuje za 4 % na leto. Visoke stopnje proizvodnje in, še bolj, nepravilno ravnanje z odpadki, sta povzročila kopičenje plastike in produktov njene biorazgradnje, kot je mikroplastika, v okolju, kar povzroča veliko škodo številnim ekosistemom. Plastika je kemično inertna in hidrofobna, zato ni zlahka biološko razgradljiva, kar ji omogoča dolgotrajno obstojnost v okolju. Dejstvo, da ima mikro/nanoplastika visok sorpcijski potencial za širok spekter obstojnih onesnaževalcev, samo povečuje njihovo morebitno ekotoksikološko breme. Obstaja več načinov ravnanja z odpadki, kot so recikliranje, sežig in biorazgradnja z mikroorganizmi. Vendar je večina teh sistemov, vključno z biorazgradnjo, okolju neprijaznih, proizvajajo strupene spojine in so zamudni. Ob upoštevanju velikega bremena, ki ga imajo plastični odpadki za naše okolje po vsem svetu, so razvoj (i) biološko razgradljivih alternativ za plastiko na osnovi nafte, (ii) raziskovanje dejavnikov (biotskih in abiotskih), ki olajšajo njihovo biorazgradnjo, ter (iii) razvoj učinkovitega sistem recikliranja, izjemnega pomena. Takšen tripartitni sistem ne bi le zmanjšal količine plastičnih odpadkov (ki v naravnem okolju niso zlahka biološko razgradljivi) in prenehal izpirati strupenih spojin ob razgradnji, ampak bi tudi zmanjšal količino virov, potrebnih za proizvodnjo novih materialov, kar bi vodilo v želeno stanje krožnega gospodarstva brez odpadkov.
V projektu MicroBeast bomo začeli s pripravo biokompozitnih filmov na osnovi naravnih biopolimerov, ki bi bili biorazgradljivi v naravnem okolju, npr. prst. Materiali bodo oblikovani iz naravnih biopolimerov, kot so alginat, celuloza, škrob, agar-agar in hitozan, ki bodo kemično modificirani, da bodo prilagojeni njihovim kemičnim in fizikalnim lastnostim ter potencialu biorazgradnje. Uporabnost materialov bo večinoma osredotočena na embalažo za živila, saj po podatkih UNEP samo plastična embalaža za enkratno uporabo predstavlja približno polovico vseh plastičnih odpadkov, ki nastanejo vsako leto.
Naši začetni protokoli biorazgradnje bodo izvedeni z uporabo zemlje z dobro karakteriziranega dolgotrajnega ekološkega območja z eno najvišjih mikrobnih raznolikosti, ki bo analizirana glede na njeno sposobnost razgradnje proizvedenih biokompozitnih filmov. Encimsko aktivnost številnih encimskih skupin bomo določili v fizikalno-kemijskih pogojih tal, da bi razjasnili prevladujoče (pod)skupine encimov, ki sodelujejo v procesu biorazgradnje in njihovo porazdelitev skozi čas. Mikrobiom bo analiziran z uporabo metagenomike visoke ločljivosti za identifikacijo odzivnega dela mikrobioma na ravni vrst in sevov, ki zajemajo bakterije, arheje, glive, praživali in njihove funkcionalne gene, vključene v proces biorazgradnje biokompozitov v tleh, vključno z njegovim raziskovanjem pozneje v drugih ustreznih okoljih (morske in sladkovodne, anaerobna presnova).
Komercialno dostopni encimi (lipaza, esteraza, oksidoreduktaza) bodo raziskani v procesu razgradnje proizvedenih biokompozitnih filmov, da bi zagotovili osnovo obstoječega orodja za encime, izbranega iz (pod)skupin encimov, določenih v prejšnjih korakih, in njihov potencial biorazgradnje odločen. Nazadnje, na podlagi pomanjkljivosti komercialnih encimov bodo izdelane nove različice in novi encimi s ciljno aktivnostjo, da bi dosegli največjo/popolno razgradnjo na novo razvitih biokompozitnih filmov. Usmerjena encimska evolucija (ProSAR) bo uporabljena za izdelavo novih encimov z visoko specifično depolimerizacijsko aktivnostjo in širokim naborom uporabnih substratov. Na ta način se katalitične funkcije zanimivih encimov izboljšajo in postopoma preoblikujejo v laboratorijskem razvoju pod nadzorovanimi pogoji, kar omogoča hitre krivulje učenja in doseganje visoko funkcionalnih mutantov izvirnih encimov, ki se proizvajajo v velikih količinah v umetnih gostiteljih. Protein Sequence Activity Relationship (ProSAR) je eden od pristopov, ki omogočajo racionalno zasnovo z uporabo strojnega učenja vodenega razvoja v proteinskem inženiringu.
Osnovni podatki glede financiranja
Projekt sofinancira ARRS z 2017 letnih raziskovalnih ur cenovnega razreda C za obdobje trajanja projekta od 1.10.2023 do 30.9.2026
Sestava projektne skupine s povezavami na SICRIS:
37381 - Miša Mojca Cajnko https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/43169
19104 - Blaž Stres https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/11176
33161 - Uroš Novak https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/36026
34815 - Andreja Palatinus https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/39595
39093 - Beti Vidmar https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/45112
53614 - Ana Oberlintner https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/50069
26515 - Aleksandra Usenik https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/20085
4988 - Dušan Turk https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/5285
Faze projekta in njihova realizacija
WP1:
- Razvoj novih in izboljšanih biokompozitnih filmov na osnovi naravnih monopolimerov;
- Določitev odstotka biorazgradljivosti biokompozitnih filmov;
- Identifikacija strukturnih in kemičnih sprememb v biokompozitnem filmu med procesom razgradnje;
- Vrednotenje potencialne toksičnosti produktov razgradnje.
WP2:
- Določitev glavnih mikrobnih vrst, raznolikosti in funkcionalnih genov, vključenih v proces biorazgradnje;
- Ugotavljanje sprememb v mikrobiomu med procesom biorazgradnje;
- Potrditev z izolacijo specifičnih mikrobnih sestavin, ki učinkovito razgrajujejo biokompozitne filme;
- Identifikacija korelacije med mikrobnimi konzorciji in fizikalno-kemijskimi parametri med procesom biorazgradnje tal
WP3:
- Identifikacija glavnih razredov encimov, vključenih v razgradnjo biokompozitneih filmov;
- Razvoj protokola encimske razgradnje na podlagi komercialno dostopnih encimov;
- Proizvodnja encimov, ki so sposobni popolne razgradnje biokompozitneih filmov;
- Identifikacija najprimernejših pogojev v reakcijskem prostoru za prihodnje varno odlaganje in razgradnjo poleg nadzorovane razgradnje in ponovne uporabe istih gradnikov za proizvodnjo novih serij materialov
WP4:
- Vodenje
- Komunikacija
- Diseminacija

Logotip ARIS in drugih sofinancerjev
