DOI: https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2026.106294
تاريخ النشر: 2026-02-01
المؤلف: Kejvin Bajo وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس الدراسة التحلل الحيوي للبلاستيك من البولي إيثيلين (PE) بواسطة البكتيريا البحرية Bacillus velezensis MT9، مع تسليط الضوء على أهمية الأكسدة الضوئية في تعزيز التمعدن الميكروبي. تشير النتائج إلى أن الحضانة مع البولي إيثيلين المعالج بالأشعة فوق البنفسجية والموسوم بـ ^13C تؤدي إلى نسبة أكبر بكثير من فقدان الكتلة ^13C مقارنةً بالعينات غير المعالجة، مما يبرز أن الأكسدة الضوئية ضرورية لجعل البلاستيك أكثر قابلية للتحلل الميكروبي.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن Bacillus velezensis MT9 يمكن أن تستخدم PE بشكل أكثر فعالية للطاقة عندما تكون الركائز الأخرى، مثل مستخلص الخميرة، موجودة، مما يدل على إمكانية تحلل البلاستيك في البيئات الطبيعية، وإن كان بمعدلات منخفضة. تلاحظ الدراسة ندرة الأبحاث الحالية حول التمعدن وتُنسب معدلات التحلل المنخفضة إلى مقاومة البولي إيثيلين، التي تفاقمت بسبب الزيادة الأخيرة في تلوث البلاستيك، مما أعاق تكيف البكتيريا وإنتاج الإنزيمات المستهدفة لهياكل C-C للبولي إيثيلين. يقترح المؤلفون أن تركز الجهود المستقبلية على اختيار وتكييف البكتيريا من المواقع الملوثة في بيئات المختبر لاكتشاف إنزيمات جديدة أو مهندسة تسهل التحلل الحيوي للبولي إيثيلين، مع التأكيد على الطبيعة طويلة الأمد للتحلل البيولوجي كآلية للتخفيف الطبيعي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحدي البيئي الكبير الذي تسببه تلوث البلاستيك، خاصة في النظم البيئية البحرية، حيث يُقدّر أن 5-13 مليون طن من البلاستيك تدخل المحيط سنويًا. من المتوقع أن تزيد هذه الأرقام بمقدار 2.6 مرة بحلول عام 2040. تؤكد الدراسة على الدور المحتمل للتحلل الحيوي الميكروبي في التخفيف من آثار نفايات البلاستيك، مع التركيز بشكل خاص على البولي إيثيلين (PE)، وهو البوليمر الأكثر شيوعًا الموجود في الميكروبلاستيك البحري. بينما ركزت الأبحاث السابقة بشكل أساسي على البيئات الأرضية، تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في قدرات التحلل الحيوي للميكروبات البحرية، وخاصة الفطريات والبكتيريا، في تحلل PE.
تستعرض الورقة أنواعًا مختلفة من الكائنات الحية الدقيقة المعروفة بقدراتها على تحلل البلاستيك، بما في ذلك سلالات معينة من Bacillus وVreelandella، التي أظهرت نتائج واعدة في بيئات المختبر. ومع ذلك، تشير إلى التحديات المنهجية في قياس معدلات التحلل الميكروبي بدقة والقيود المفروضة على التقنيات الحالية مثل فقدان الوزن الجاذبي وطيف الأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه. تقترح الدراسة استخدام تتبع النظائر المستقرة مع البولي إيثيلين الموسوم بـ \(^{13}C\) لتقييم التمعدن الحيوي لـ PE بواسطة البكتيريا البحرية، بهدف تقديم رؤى أوضح حول عمليات التحلل ومصير الكربون في تحلل البلاستيك.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” المواد والمنهجيات المستخدمة في البحث. يوضح المواد المحددة المستخدمة في التجارب، بما في ذلك مصادرها وأي مواصفات ذات صلة. كما يصف القسم تصميم التجربة، بما في ذلك الإجراءات المتبعة، وحجم العينة، والتحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها لضمان صحة وموثوقية النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، يتم توضيح الطرق المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها، مع تسليط الضوء على أي أدوات أو برامج تم استخدامها في العملية. يؤكد القسم على الالتزام بالمعايير والبروتوكولات الأخلاقية، مما يضمن أن البحث تم إجراؤه بشكل مسؤول وشفاف. بشكل عام، يوفر هذا القسم نظرة شاملة على الإطار المنهجي الذي يدعم نتائج الدراسة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم إمكانيات التمعدن الحيوي لثلاثة عزلات بكتيرية بحرية—Bacillus velezensis MT9 وVibrio titanicae MT11 وVibrio venusta MT1—باستخدام اختبار نظائر مستقرة مع البولي إيثيلين (PE) الموسوم بـ ^13C. كانت الأبحاث السابقة قد أثبتت قدرات التحلل الحيوي لهذه العزلات من خلال طرق مثل فقدان وزن الفيلم الجاذبي، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه مع الانعكاس الكلي المخفف (ATR-FTIR). ومع ذلك، لم توفر هذه التقنيات أدلة مباشرة على انتقال الكربون من البوليمر إلى المنتجات النهائية للتحلل، وهو أمر ضروري لتأكيد التمعدن الحيوي للبلاستيك.
لمعالجة هذه الفجوة، تم إجراء اختبارات النظائر المستقرة على كل من البولي إيثيلين غير المعالج والمعالج بالأشعة فوق البنفسجية ^13C-PE، حيث يحاكي الأخير الأكسدة الضوئية الطبيعية للبلاستيك في البيئات البحرية. تهدف هذه الطريقة إلى تقديم رؤى أوضح حول عمليات التمعدن التي تسهلها العزلات البكتيرية، مما يعزز فهمنا لدورها المحتمل في تحلل البلاستيك في النظم البيئية البحرية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم إمكانيات التحلل الحيوي لثلاث سلالات بكتيرية معزولة من بيئة بحرية—*Bacillus velezensis* العزلة MT9، *Vreelandella venusta* العزلة MT1، و*Vreelandella titanicae* العزلة MT11—باستخدام البولي إيثيلين (PE) الموسوم بالنظير المستقر \(^{13}C\). تم معالجة PE بالأشعة فوق البنفسجية لمحاكاة التغيرات الكيميائية الضوئية الطبيعية، تلتها اختبارات التحلل الحيوي في ظروف محكومة. أشارت النتائج إلى أن *B. velezensis* MT9 فقط أظهرت تمعدنًا كبيرًا لكل من ^{13}C-PE غير المعالج والمعالج بالأشعة فوق البنفسجية، مع تعزيز وجود مستخلص الخميرة لمعدل التمعدن. على وجه التحديد، وصل معدل تمعدن ^{13}C-PE المعالج بالأشعة فوق البنفسجية إلى أقصى معدل قدره 0.026% يوميًا في وجود مستخلص الخميرة خلال فترة الحضانة الأولية.
كشفت التحليلات الكيميائية من خلال تحليل FTIR أن المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية غيرت سطح PE، مع تغييرات ملحوظة في المجموعات الوظيفية، وخاصة تكوين مجموعات الكربونيل والهيدروكسيل. كما أبرزت الدراسة أن عملية التمعدن تأثرت بمرحلة نمو البكتيريا، حيث قد يحد التكاثر من نشاط التحلل الحيوي. تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن لـ *B. velezensis* MT9 تمعدن PE، فإن المعدلات العامة منخفضة مقارنةً بالدراسات الأخرى المبلغ عنها حول التحلل الميكروبي. هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث لتوضيح الآليات المحددة لتحلل PE بواسطة هذه السلالة، والتي قد تشمل الإنزيمات خارج الخلوية وأنواع الأكسجين التفاعلية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2026.106294
Publication Date: 2026-02-01
Author(s): Kejvin Bajo et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
The study investigates the biodegradation of polyethylene (PE) plastics by the marine bacterium Bacillus velezensis MT9, highlighting the importance of photooxidation in enhancing microbial mineralization. The results indicate that incubation with UV-treated ^13C-labeled polyethylene leads to a significantly greater percentage of ^13C mass loss compared to untreated samples, underscoring that photooxidation is essential for making plastics more amenable to microbial degradation.
Furthermore, the findings suggest that Bacillus velezensis MT9 can utilize PE more effectively for energy when other substrates, such as yeast extract, are present, indicating potential for plastic degradation in natural environments, albeit at low rates. The study notes the scarcity of existing mineralization research and attributes the low degradation rates to the recalcitrance of polyethylene, exacerbated by the recent surge in plastic pollution, which has hindered bacterial adaptation and enzyme production targeting polyethylene’s C-C backbone. The authors propose that future efforts should focus on selecting and adapting bacteria from contaminated sites in laboratory settings to discover novel or engineered enzymes that facilitate PE biodegradation, emphasizing the long-term nature of biological degradation as a natural attenuation mechanism.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant environmental challenge posed by plastic pollution, particularly in marine ecosystems, where an estimated 5-13 million tons of plastic enter the ocean annually. This figure is projected to increase 2.6-fold by 2040. The study emphasizes the potential role of microbial biodegradation in mitigating the impacts of plastic waste, focusing specifically on polyethylene (PE), the most prevalent polymer found in marine microplastics. While previous research has primarily concentrated on terrestrial environments, this study aims to investigate the biodegradation capabilities of marine microorganisms, particularly fungi and bacteria, in degrading PE.
The paper reviews various microbial species known for their plastic degradation abilities, including specific strains of Bacillus and Vreelandella, which have shown promising results in laboratory settings. However, it notes the methodological challenges in accurately measuring microbial degradation rates and the limitations of existing techniques such as gravimetric weight loss and Fourier-transform infrared spectroscopy. The study proposes to utilize stable isotope tracing with \(^{13}C\)-labelled polyethylene to assess the biomineralization of PE by marine bacteria, aiming to provide clearer insights into the degradation processes and the fate of carbon in plastic degradation.
Methods
The “Methods” section outlines the materials and methodologies employed in the research. It details the specific materials used for experimentation, including their sources and any relevant specifications. The section also describes the experimental design, including the procedures followed, the sample size, and the statistical analyses conducted to ensure the validity and reliability of the results.
Additionally, the methods employed for data collection and analysis are elaborated upon, highlighting any tools or software utilized in the process. The section emphasizes adherence to ethical standards and protocols, ensuring that the research was conducted responsibly and transparently. Overall, this section provides a comprehensive overview of the methodological framework that underpins the study’s findings.
Results
In this study, the biomineralization potential of three marine bacterial isolates—Bacillus velezensis MT9, Vibrio titanicae MT11, and Vibrio venusta MT1—was evaluated using a stable isotope assay with ^13C-labeled polyethylene (PE). Previous research had established the biodegradation capabilities of these isolates through methods such as gravimetric film weight loss, scanning electron microscopy (SEM), and attenuated total reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR). However, these techniques did not provide direct evidence of carbon transfer from the polymer to the final degradation products, which is essential for confirming plastic biomineralization.
To address this gap, stable isotope assays were conducted on both untreated and UV-treated ^13C-PE, the latter simulating the natural photooxidation of plastics in marine environments. This approach aims to provide clearer insights into the mineralization processes facilitated by the bacterial isolates, thereby enhancing our understanding of their potential role in plastic degradation in marine ecosystems.
Discussion
In this study, the biodegradation potential of three bacterial strains isolated from a marine environment—*Bacillus velezensis* isolate MT9, *Vreelandella venusta* isolate MT1, and *Vreelandella titanicae* isolate MT11—was evaluated using polyethylene (PE) labeled with the stable isotope \(^{13}C\). The PE was subjected to UV pretreatment to simulate natural photochemical alterations, followed by biodegradation assays in controlled conditions. The results indicated that only *B. velezensis* MT9 exhibited significant mineralization of both untreated and UV-treated \(^{13}C\)-PE, with the presence of yeast extract enhancing the mineralization rate. Specifically, the mineralization of UV-treated \(^{13}C\)-PE reached a maximum rate of 0.026% per day in the presence of yeast extract during the initial incubation period.
Chemical characterization through FTIR analysis revealed that UV treatment altered the PE surface, with notable changes in functional groups, particularly the formation of carbonyl and hydroxyl groups. The study also highlighted that the mineralization process was influenced by the bacterial growth phase, with sporulation potentially limiting biodegradation activity. The findings suggest that while *B. velezensis* MT9 can mineralize PE, the overall rates are low compared to other reported microbial degradation studies. Future research is warranted to elucidate the specific mechanisms of PE biodegradation by this strain, potentially involving extracellular enzymes and reactive oxygen species.