Plastic biodegradation: a metabolic understanding of the process

Abstract

[eng] Microbial degradation of plastics has gained social and scientific interest in recent years, particularly regarding aliphatic recalcitrant plastics such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP), both representing almost half of global plastic production. These polymers, among the most abundantly produced and environmentally persistent, resist biodegradation due to their inert molecular structures and require initial abiotic oxidation to facilitate microbial assimilation. This thesis explores microbial metabolism to better understand the mechanisms driving the assimilation of weathered plastics. A comprehensive literature review led to defining polymer biodegradability, evaluating best practices for assessing microbial degradation, and summarising current knowledge on degradation mechanisms. Special attention is given to byproduct formation from abiotic plastic oxidation and the subsequent microbial assimilation of these molecules. This thesis advocates for improved methodologies in biodegradation research and, particularly, to elucidate molecular pathways. Experimental work focused on PE and PP degradation. Pure plastic pellets underwent thermal weathering at 80 °C resulting in the leaching of diverse organic molecules into water. The kinetics and chemical profiles of these leachates were analysed, revealing a complex mixture of oxidised molecules of varying sizes. These findings already suggested that microbial degradation requires a broad enzymatic repertoire to metabolise these molecules effectively. For PE degradation, 17 microbial isolates from the <i>Alcanivoracaceae<i>, <i>Halomonadaceae<i> and <i>Marinobacteraceae<i> families were studied for their abilities to assimilate PE leachates and correlated to their encoded metabolic potential. The results underscored the importance of β-oxidation genes redundancy over alkane degradation genes in enabling efficient assimilation of weathered PE. PP degradation was investigated using the <i>Rhodococcus erythropolis<i> PE4.1 isolate obtained from plastic collected at a 30-year-old landfill. This isolate demonstrated the ability to utilise thermally oxidised PP and PE as sole carbon and energy sources. Isotopic labelling confirmed plastic carbon assimilation. Genomic and proteomic analyses revealed a distinct array of oxidation-related enzymes, and for the first time, it identified a novel pathway involved in processing oxidised branched aliphatic molecules from PP. Overall, the findings presented in this thesis highlight the complexity of microbial plastic degradation, emphasising the enzymatic diversity required to metabolise weathered plastics and advancing our understanding of the molecular mechanisms involved.

[spa] La degradación microbiana de los plásticos ha ganado interés social y científico en los últimos años, especialmente en lo que respecta a los plásticos alifáticos recalcitrantes como el polietileno (PE) y el polipropileno (PP), que representan casi la mitad de la producción mundial de plástico. Estos polímeros, entre los más producidos y persistentes en el medio ambiente, resisten la biodegradación debido a sus estructuras moleculares inertes y requieren una oxidación abiótica inicial para facilitar su asimilación microbiana. Esta tesis explora el metabolismo microbiano para comprender mejor los mecanismos que impulsan la asimilación de plásticos envejecidos. Una revisión exhaustiva de la literatura permitió definir la biodegradabilidad de los polímeros, evaluar las mejores prácticas para analizar la degradación microbiana y resumir el conocimiento actual sobre los mecanismos de degradación. Se presta especial atención a la formación de subproductos durante la oxidación abiótica del plástico y a la posterior asimilación microbiana de estas moléculas. La tesis aboga por la mejora de las metodologías en la investigación de la biodegradación, en particular para dilucidar las rutas moleculares implicadas. El trabajo experimental se centró en la degradación del PE y del PP. Gránulos puros de plástico fueron sometidos a un envejecimiento térmico a 80 °C, provocando la lixiviación de diversas moléculas orgánicas en el agua. El análisis cinético y químico de estos lixiviados reveló una mezcla compleja de moléculas oxidadas de distintos tamaños, lo que sugiere que la degradación microbiana requiere un amplio repertorio enzimático para metabolizarlas eficazmente. Para la degradación del PE, se estudiaron 17 aislados microbianos de las familias <i>Alcanivoracaceae<i>, <i>Halomonadaceae<i> y <i>Marinobacteraceae<i>, correlacionando su capacidad para asimilar los lixiviados del PE con su potencial metabólico. Los resultados destacaron la importancia de la redundancia de los genes de β-oxidación sobre los genes de degradación de alcanos en la asimilación eficiente del PE envejecido. La degradación del PP se investigó con <i>Rhodococcus erythropolis<i> PE4.1 aislado de plástico recogido en un vertedero de 30 años de antigüedad. Este aislado demostró la capacidad de utilizar PP y PE oxidados térmicamente como únicas fuentes de carbono y energía. El marcaje isotópico confirmó la asimilación del carbono del plástico. Los análisis genómicos y proteómicos revelaron un conjunto distintivo de enzimas relacionadas con la oxidación y, por primera vez, identificaron una nueva vía para procesar moléculas alifáticas ramificadas oxidadas derivadas del PP. En conjunto, los resultados de esta tesis resaltan la complejidad de la degradación microbiana de los plásticos, subrayando la diversidad enzimática necesaria para metabolizar los plásticos envejecidos y avanzando en la comprensión de los mecanismos moleculares implicados.

[cat] La degradació microbiana dels plàstics ha guanyat interès social i científic en els darrers anys, especialment pel que fa als plàstics alifàtics recalcitrants com el polietilè (PE) i el polipropilè (PP), que representen gairebé la meitat de la producció mundial de plàstic. Aquests polímers, entre els més produïts i persistents en el medi ambient, resisteixen la biodegradació a causa de les seves estructures moleculars inertes i requereixen una oxidació abiòtica inicial per facilitar-ne l'assimilació microbiana. Aquesta tesi explora el metabolisme microbià per millorar la comprensió dels mecanismes que permeten l’assimilació dels plàstics envellits. Una revisió exhaustiva de la literatura va permetre definir la biodegradabilitat dels polímers, avaluar les millors pràctiques per analitzar la degradació microbiana i resumir el coneixement actual sobre els mecanismes de degradació. S’ha posat especial atenció a la formació de subproductes durant l’oxidació abiòtica del plàstic i la posterior assimilació microbiana d’aquestes molècules. Aquesta tesi proposa la millora de les metodologies en la investigació de la biodegradació, especialment per dilucidar les vies moleculars implicades. El treball experimental es va centrar en la degradació del PE i del PP. Grànuls de plàstic pur van ser sotmesos a un envelliment tèrmic a 80 °C, provocant la lixiviació de diverses molècules orgàniques a l’aigua. L’anàlisi cinètica i química d’aquests lixiviats va revelar una barreja complexa de molècules oxidades de diferents mides, suggerint que la degradació microbiana requereix un ampli repertori enzimàtic per metabolitzar-les eficientment. Per a la degradació del PE, es van estudiar 17 aïllats microbians de les famílies <i>Alcanivoracaceae<i>, <i>Halomonadaceae<i> i <i>Marinobacteraceae<i>, i es va correlacionar la seva capacitat d’assimilar els lixiviats del PE amb el seu potencial metabòlic. Els resultats van destacar la importància de la redundància dels gens de β-oxidació per sobre dels gens de degradació d’alcans en l'assimilació eficient del PE envellit. La degradació del PP es va investigar amb <i>Rhodococcus erythropolis<i> PE4.1 aïllat de plàstic recollit d’un abocador de 30 anys d’antiguitat. Aquesta soca va demostrar la capacitat d’utilitzar PP i PE oxidats tèrmicament com a úniques fonts de carboni i energia. La firma isotòpica va confirmar l’assimilació del carboni del plàstic. Les anàlisis genòmiques i proteòmiques van revelar un conjunt d’enzims relacionats amb l’oxidació i, per primera vegada, van identificar una via nova per processar molècules alifàtiques ramificades oxidades procedents del PP. En conjunt, els resultats d’aquesta tesi destaquen la complexitat de la degradació microbiana dels plàstics, subratllant la diversitat enzimàtica necessària per metabolitzar els plàstics envellits i avançant en la comprensió dels mecanismes moleculars implicats.