中国江蘇省沿岸の塩性湿地には、細菌とプラスチックを分解する菌類からなる多様な微生物叢が存在する。
これらの菌類は、食品包装などに広く使われているプラスチックの一種であるポリプロピレンを分解することができる。
菌類は、プラスチックをより小さな分子に分解する酵素を産生することで、これを可能にしている。
これらの菌類の発見は、プラスチックを再利用し、汚染を減らす新たな方法の開発に役立つ可能性がある。
多様な微生物叢は細菌とプラスチックを分解する菌類からなり、中国江蘇省沿岸の塩性湿地に存在する中国。
これは、ポリウレタン製造で多く用いられる生分解性ポリエステルのポリカプロラクトン（PCL）を分解できる細菌55株と菌類184株を数えた国際研究チームによって特定されたもので、キュー王立植物園（Royal Botanic Gardens, Kew）のプレスリリースによると、キュー王立植物園が発表した。
「科学的根拠の蓄積は、解き放たれるべきプラスチック分解の環境面での可能性に光を当てている」と、キュー王立植物園（RBG）の菌類多様性・系統分類学の上級研究リーダーであるイリーナ・ドルジニーナ博士は、EcoWatchへのメールで語った。
「プラスチックは非常に新しい素材であるが、これらのポリマーの分解に関わる可能性のある生物学的活動について、生化学的な知見をある程度有している。菌類と細菌のゲノムには、プラスチック分解に寄与しうる有望な酵素をコードしていることが確認されている。」
特定された細菌株のうち、ストレプトマイセス属およびヨネシア属に属するものは、さらに別の石油系ポリマー（合成または天然の分子が結合した鎖）を分解する能力を有している可能性がある。
「微生物学者は一様に、細菌と菌類がこの新しい素材への対処法を最初に学ぶ生物になるだろうと考えており、プラスチック廃棄物の生態学的に優しい処理方法の発見に責任を感じている。微生物がプラスチックを効果的に分解する方法を見いだすことは間違いないが、自然の成り行きに任せれば数千年を要するかもしれない」と、ドルジニーナ氏はプレスリリースで語った。「だからこそ、私たちの任務は、既に持っている微生物学の知識を活用し、微生物とその個々の遺伝子の進化を加速させ、方向づけて、今まさにその仕事を果たさせることなのだ。」
研究「陸海移行帯におけるプラスチック表面の微生物叢は、石油系ポリマーを分解すると推定される微生物の貯蔵庫である」と題された論文は、石油系ポリマーの分解者の貯蔵庫に関する論文として、『Journal of Hazardous Materials（有害物質ジャーナル）』に掲載された。
科学者らは、2021年5月に、中国の黄海沿岸付近にあり、ユネスコの保護対象地域である大豊（ダフェン）で、プラスチックを分解する微生物のサンプルを採取した。陸生のプラスチック表面微生物群集（比較的新しい陸生生態学の用語）が確認された。沿岸のプラスチックごみの微生物叢は、それを取り囲む土壌とも異なっていた。
「プラスチック廃棄物上の微生物バイオフィルムに関する初期の研究は、主に海洋環境に焦点を当てていた。本研究では、陸海移行帯（境界的生態系）を調査対象とした。この生態系は、海洋環境をある程度想起させる一方で、炭素やその他の栄養素に著しく富むという独自の特徴を持つためである。この多様性の高い微生物叢を詳しく調べることは大胆な決断であったが、その成果は報われた」と、ドルジニーナ氏はEcoWatchに語った。
「私たちのサンプリング戦略は、意図的に最も汚染の激しい沿岸地域を避けた。その代わりに、プラスチックごみに定着する微生物叢の自然な振る舞いを観察することを目指した。ユネスコの世界遺産リストに登録されている塩城の大豊自然湿地を、調査地点として選んだ。この地域には、多様な鳥類が生息しており、その中には、黄色い特徴的なくちばしを持つ極めて希少なシナアジサシ（Thalasseus bernsteini）や、美しく絶滅危惧種のタンチョウ（Grus japonensis）も含まれる。」
プラスチック汚染問題の規模は、1970年代以降着実に拡大している。国連環境計画によると、毎年4億トンのプラスチック廃棄物が生み出されており、科学者たちは、これに対処するために細菌、菌類、その他の微生物にますます注目するようになっている。
これまでに、プラスチックを分解する細菌と菌類の436種が発見されている。キューの科学者と協力機関は、今回の最新の発見が、プラスチック廃棄物を生物学的に分解する効率的な酵素の設計につながることを期待している。
水生生態系に流入したプラスチックは、その疎水性の表面と耐久性のため、細菌と菌類にとっての「微生物礁」を形成している。また、一部の生分解性プラスチックでは、微生物に炭素源、すなわち食料が供給される。
大豊の研究者らは、石油系ポリマー7種類（ポリウレタン（PU）、ポリプロピレン（PP）、ポリ塩化ビニル（PVC）、発泡ポリスチレン（EPS）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレン（PE）、ポリアミド（PA））のプラスチック廃棄物サンプル50点を採取した。
科学者らは、植物病原菌を含む14属の菌類を特定した。ネオコスモスポラ属およびフザリウム属。植物病原菌は、宿主に害を及ぼす形で植物から栄養を得る。本研究の結果から、これらの菌類は、死んだ生物を栄養源とする菌類よりも、PCLプラスチックやその他の種類の合成ポリマーの分解に長けている可能性が示唆される。
「大豊の塩性湿地の生態学的ニッチこそ、そこにあるプラスチック廃棄物中の微生物群集を調査することを選んだ理由であり、これまでのところ、私たちの研究結果は、刺激的かつ有望であることが証明されている」と、ドルジニーナ氏はプレスリリースで語った。
菌類は、炭素循環の一環として、自然環境における有機物の分解を助けている。菌類は、何百万年もの歳月をかけて、セルロースのような複雑な天然ポリマーを分解するように進化してきた。菌類が分泌する酵素は、タンパク質や炭水化物といった複雑な有機化合物の分解に長けている。
研究者らは、大豊の菌類と共生する細菌のうち2種が、プラスチック分解の有望な候補であることを発見した。すなわち、ストレプトマイセス属と、ヨネシア属（最近発見された属）である。Jonesia cf. Quinghaiensisは、採取された55の細菌株の中で特に優勢であった。
研究の著者らは、有望な発見が次々と生まれているものの、プラスチックに関連する微生物に対する人類の理解は始まったばかりであり、未解決の疑問が多く残っていると述べた。分析されたすべての菌株が種レベルまで同定できたわけではない。
「私が最も驚かされるのは、微生物の多様性がもつ圧倒的な力である。特に、それらを検出することがいかに難しいかを考えるとなおさらだ。微生物は微小な大きさで、姿を隠す性質があり、外見は単純である。しかし、生化学的な視点から見ると、探究を待つ豊かな複雑さにアクセスできる」と、中国深圳にある中山大学のフォン・ツァイ博士はプレスリリースで語った。「私たちがまだほんの表面をなぞったに過ぎないと気づき、将来の技術に向けた潜在的に有望な資源を既に多く発見したことは、本当にわくわくすることだ。この気づきは、まだ数多くの発見が待っており、私たちの研究が、この分野における大きな進歩につながる可能性があるという、計り知れない満足感を私に与えてくれる。」
これまでに菌類界では14万4000種以上が記載されているが、多くの種、一部の科学者によると数百万種が、まだ発見されていない。科学者が一致して認めている点は、これら未発見の種の中に、人類に役立つ可能性のある医薬品、食品、その他の化合物の新たな供給源が含まれていることである。
「私たちと世界中の多くの微生物学者は、プラスチック廃棄物の効率的、低コストかつ持続可能なリサイクルのための技術の開発を目指している。プラスチックそのものを排除することを目標としているわけではない。プラスチック廃棄物の問題を解決するのは一つの微生物ではなく、特定の要件や条件に合わせて調整できる多数の選択肢を備えた広範な技術的枠組みになるだろう」と、ドルジニーナ氏はEcoWatchに語った。「プラスチックを分解する技術の開発は、『黄色いレンガの道』をたどる。これは、潜在的に有望な酵素をコードするゲノムを持つ微生物を探索し、コンピュータモデリングと人工知能を用いてこれらの酵素を改良し、適切な微生物細胞工場で酵素を生産し、バイオテクノロジーの工程に組み込むというものである。本研究は、遺伝子工学に適した遺伝子を持つ可能性が高い、出発点となるゲノムのライブラリーを提供するものである。道のりはまだ長いが、私たちはこのプロセスを加速させることに尽力している。」
ドルジニーナ氏はEcoWatchに対し、「グレート・パシフィック・ガーベージ・パッチ」のように、環境中の既存のプラスチックを分解するためにプラスチックを食べる菌類を使用することは、予見できないと語った。
「たとえそのような微生物が遺伝子操作されたとしても、遺伝子組み換え生物（GMO）を使用したり、非在来生物を生態系に意図的に導入したりすることには、多くの国で規制面および安全面の懸念が生じる。提案された介入が厳密に試験され、安全であり、環境保護基準に適合することを保証するため、厳格な規制やガイドラインが設けられる可能性が高い。グレート・パシフィック・ガーベージ・パッチは、そのために開発されるべき技術に基づき、管理された環境でリサイクルされるべきだろう。道のりはまだ長い」と、ドルジニーナ氏は語った。
ドルジニーナ氏はさらに、埋立地に投棄されるか、リサイクル容器に入れられたものの、実際には分解・再利用されない商業用プラスチック廃棄物を分解するために、プラスチックを食べる菌類を使用することは予見できると付け加えた。
「はい、私たちは商業用および家庭用プラスチック廃棄物を効率的にリサイクルする技術の開発を期待している。残念ながら、既に環境中に放出されたプラスチックごみを生物学的に分解する唯一の方法は、それらを回収し、各地の（将来の）プラスチック廃棄物処理施設に運ぶことである」と、ドルジニーナ氏はEcoWatchに語った。「おそらく、新しいプラスチックを製造するための石油資源が徐々に減少することで、環境中のプラスチックを回収して再利用する技術の開発が促される可能性がある。私たちは、その利点と課題を併せ持つプラスチック時代に生きている。」
ドルジニーナ氏は、世界のプラスチック問題の緩和に貢献したいと考える個人へのアドバイスを提示した。
「この『黄色いレンガの道』に、ぜひ参加してください！研究に携わり、微生物を探究し、生物多様性保全プログラムを推進し、化学、生物学、数学を学んでください。取り組むべきことは多くあります。プラスチックに代わる生分解性の代替品を開発し、最適な遺伝子を選び出すためのAI技術を開発し、プラスチック上の酵素活性をモデル化することです……現代科学のあらゆる分野における進歩は、プラスチック廃棄物問題やその他の課題に対処する技術開発を加速させるでしょう」と、ドルジニーナ氏は語った。「また、社会がこの問題について話し合うことを奨励します……幸いなことに、プラスチックを分解する微生物と遺伝子の探求は、現代微生物学の最前線となっており、私たちはこの取り組みの一端を担えることを大いに誇りに思っています。」
