ゴミを「食べる」海洋微生物：菌類がプラスチックと出会うと何が起こるのか？

制作 |科学普及中国

著者: 劉睿、飛凡 (中国科学院海洋研究所)

プロデューサー |中国科学博覧会

編集者 |ティエン・ウェイ

振り返って周囲を見回すと、プラスチックが含まれていない物を見つけることはできるでしょうか?私たちの日常生活では、買い物袋やペットボトルなどの小さなものから、車や家の装飾品などの大きなものまで、プラスチックなしでは生きていけません。携帯電話やコンピューターの生産にもプラスチックが使われています。プラスチックの大量生産は人々に利便性をもたらしましたが、同時に自然にも問題をもたらしました。通常のプラスチックが分解されるまでには数十年、あるいは数百年もかかります。生産率と分解率から判断すると、地球はまもなく巨大なプラスチックゴミの埋立地となるだろう。

各種プラスチック |画像出典: Veer Gallery

したがって、プラスチックをより速く、より効率的に分解する方法は、科学者にとって解決すべき緊急の課題となっている。 2021年、科学者たちはプラスチック廃棄物を効果的に分解できる海洋微生物群を初めて発見しました。現在、彼らは再び「アップグレードされた」海洋微生物を発見し、培養しました。この微生物は、さまざまな種類のプラスチックを効果的に分解できるだけでなく、より速い速度で分解し、一部のプラスチックを2週間以内に破片に分解します。

これは一体何の魔法の微生物なのでしょうか？こんなに強いプラスチックをどうやって噛んで消化するのでしょうか？そうすれば、人類は安心してプラスチックを使用できるということになるのでしょうか?

孫超民氏のチームのメンバーは、残骸を「食べる」海洋微生物を研究している。画像提供：中国科学院海洋研究所

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プラスチック汚染は流行病となっている

自分を知り、敵を知れば、敗北の危険なしに百戦錬磨で戦うことができます。プラスチックを分解する方法を理解する前に、プラスチックとは何かを理解する必要があります。プラスチックは、優れた特性を持つ人工的に合成された高分子ポリマーの一種です。近年徐々に登場してきた再生可能素材やミネラル塩に加え、その合成原料は主に石油、つまり石油由来のプラスチックです。毎年、世界では約 3 億 5,000 万～ 4 億トンの合成プラスチックが生産されており、主な経済的な種類にはポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリウレタンなどがあります。

多くの発明と同様に、プラスチック自体は「悪い物質」ではありませんが、膨大な生産量に対応する廃棄対策が欠如しているため、プラスチック廃棄物が環境に制御不能に拡散し、世界的な汚染問題となっています。陸上のプラスチック製品の中には海に運ばれ、海洋生態系に深刻な被害を与えるものもあります。

国連環境計画の統計によると、世界のプラスチック生産量は1950年の200万トンから2017年には3億4800万トンに急増し、生産能力は2040年までに倍増すると予想されている。毎年約1100万トンのプラスチック廃棄物が海に流入している。 2040年までにこの数は3倍になる可能性があります。プラスチックの生産と汚染は、人類が依存する地球に気候変動、自然喪失、汚染という「三重の危機」を引き起こし、災害を引き起こしている。大量のプラスチックの生産と廃棄は、気候変動、自然破壊、汚染という「三重の危機」を引き起こしています。

プラスチック廃棄物が蓄積する土地 |画像ソース: pixabay

長年にわたり人類社会を悩ませてきたこの汚染問題に対応し解決するために、科学者たちは多種多様な微生物に注目してきました。これらの「目立たない」生物群は、地球上のさまざまな生態環境に分布しており、強い適応力と多様な機能特性を持っています。

では、プラスチック廃棄物が長期間にわたって大量に存在している場所や環境には、プラスチックを利用して「食べる」微生物が存在する可能性があるのでしょうか。この仮説に基づいて、研究者たちは人間の活動が頻繁に行われる海岸の潮間帯から、さまざまな材質のプラスチック廃棄物のサンプルを数百個収集しました。広範囲にわたるスクリーニングにより、研究者らはついに、ポリエチレンプラスチックに効果的に定着し、分解できる海洋真菌を分離することに成功した。

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菌類がプラスチックと出会うと何が起こるでしょうか?

この菌をプラスチックフィルムと一緒に培養すると、菌糸がプラスチックの表面にしっかりと付着します。これは実際に、プラスチックの劣化に関する大きな問題を解決します。プラスチックの表面は疎水性が非常に高いため、一般的な微生物が吸着しにくいのです。

ここでの疎水性は、材料表面が水に濡れる能力として簡単に理解できます。紙とプラスチックを同時に水に浸すと、紙は水に濡れやすく、表面に大量の水分子が残りますが、プラスチックはほとんど水に濡れません。このため、プラスチックの表面には水が留まりにくく、通常の微生物も留まりにくいのです。波が彼らを襲うとすぐに彼らは立ち去るでしょう。

この菌類が他の菌類と異なるのは、疎水性タンパク質を分泌し、疎水性/親水性の界面に両親媒性フィルムを形成する能力があり、プラスチックとの接触面積を増やすことで、第一段階で他の微生物よりも優れている点です。

ポリマーの生分解プロセス |画像出典: Magnin A、Pollet E、Phalip V、他。ポリウレタンの生物学的分解の評価[J]。バイオテクノロジーの進歩、2020年、39

吸着後、菌類のよく発達した菌糸構造はさまざまな細胞外酵素を分泌し、プラスチックに作用することができます。唾液中の唾液アミラーゼが米の長鎖デンプンを加水分解して、デンプンを小さくして人体に吸収されやすくするのと同じように、微生物も独自の酵素系を合成して、微生物の外部にある高分子を徐々に分解し、長鎖構造を破壊して、これらの物質の分子を小さくして、「おいしい食事」を始めることができます。

プラスチックも複雑な構造を持つ長鎖高分子であり、この菌類はこれらの高分子を分解する酵素を分泌することができ、プラスチック分解における重要なステップである分解と脱重合を実現します。

菌類自体の特性に加え、プラスチックの山と密接に接触して生活することで、プラスチックを分解して利用する能力が進化し、あるいは排除され、徐々にプラスチックを効果的に分解できるグループへと進化してきました。

多くの微生物は、パンや米を餌として与えられれば元気に生きられますが、プラスチック廃棄物の周囲に長く生息する微生物のように、そうした良好な生息環境がなければ、生き残るために、酵素を分泌して追加のエネルギー源を得るなど、ゆっくりと「進化」し、プラスチックを「食べる」ようになります。これは、微生物と環境の間の相互影響、相互作用、相互適応の特性も反映しています。

真菌とともに培養した後、ポリエチレンプラスチックの表面に明らかなしわとひび割れが現れました。走査型電子顕微鏡による観察では、プラスチックの微細な表面に密集した穴が見られ、プラスチックに付着した菌糸がプラスチック表面に浸透し、分解効果を発揮したことが示されました。

ポリエチレンプラスチックの真菌のコロニー化と劣化 |画像提供：中国科学院海洋研究所

ポリエチレンプラスチックを分解する菌類の走査型電子顕微鏡観察 |画像提供：中国科学院海洋研究所

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この菌は広範囲の分解能力を発揮する

その後の実験により、この菌の能力はこれに限定されるものではないことが明らかになりました。ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリプロピレンなど、より多くのプラスチック基材を分解できるようです。

中でもポリウレタンプラスチックは、電化製品製造、自動車、建設、衣料などの業界で広く使用されています。例えば、ポリウレタンは吸音材や断熱材に使用されています。その市場シェアは4種類のポリオレフィンプラスチックに次ぐ第2位です。

1930 年代に導入されて以来、大量のポリウレタン廃棄物が環境中に蓄積されてきました。この菌は、肉眼で確認できる速度でポリウレタン製品を劣化させ、分解します。防カビ処理後2週間でポリウレタン膜の表面にひび割れが生じる場合があります。処理時間を 5 週間に延長すると、膜は明らかな断片化を示し、分解効果は良好でした。

ポリウレタンプラスチックフィルムは、4 週間以内に海洋真菌によって分解されます。画像提供：中国科学院海洋研究所

通常のプラスチックをうまく分解できるので、処理対象が分解性プラスチックであれば、本来の分解効率を高め、分解サイクルを短くすることはできないでしょうか？答えはイエスです。

わずか1週間の培養後、生分解性プラスチックの表面に明らかな亀裂が現れ、プラスチックは黄色に変わりました。これは酸化と侵食の兆候でした。時間が2週間に達すると、プラスチック表面の侵食領域が大幅に増加し、さらに大きな穴が現れました。 3週間後、プラスチックの残留物はほとんど残っていませんでした。もう少し待てば、生分解性プラスチックは菌類によって完全に代謝され、利用されるでしょう。

PBAT + PLA + St を含む分解性プラスチック袋は、4 週間以内に海洋真菌によって分解されました。画像提供：中国科学院海洋研究所

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分解可能なプラスチックが推奨される

従来のプラスチック製品が自然環境中で分解されるまでの数百年というプロセスと比較すると、生分解性プラスチックはプロセスを数か月に短縮しており、これは人類の合成プラスチックの歴史における大きな進歩です。ここでは分解可能なプラスチックを使用することをお勧めします。「分解可能なプラスチック」のロゴを探してください。ロゴは、矢印の付いた円形、二重の「j」（劣化を表すピンインの最初の文字）、材料の略語（PBAT、PLAなど）、国家規格、製品名で構成されたパターンです。

「分解性プラスチック」ラベルの例 |画像出典: 国家規格 GB/T 41010-2021

対応する国家標準はGB/T 41010-2021で、2022年6月1日に発効します。この国家標準認証に適合した製品は、対応する分解速度、重金属含有量、分解生成物の毒性試験に合格しており、環境安全性が非常に高いです。

日常生活で使用されている生分解性プラスチックは、単なる風や太陽の光にさらされるだけでは完全に分解できず、分解速度が非常に低いことに注意する必要があります。それでも環境を汚染し続けるでしょう。海に流れてカメなどの生物に飲み込まれると、消化管を塞いで死に至る可能性が非常に高いです。

生分解性プラスチックを使用することで、環境を守りながら便利な生活を実現できます。もちろん、外出時には自分の買い物袋を持参し、使い捨て製品の使用を減らすなど、プラスチック製品を適度に使用する意識を高める必要があります。誰もが生活の中で環境に優しい良い習慣を維持できる限り、私たちの環境は大きく変わると信じています。

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