Since the middle of the last century, the demand for plastic materials have continuously increased reaching a global production of 348 million tons in 2017. Because of the large use of conventional plastics, dispersion and accumulation into the environment of their wastes have increased, causing the pollution of aquatic and terrestrial ecosystems and the release of micro- and nano- plastics. The persistence of plastics in the environment and the problems caused to flora and fauna have led research to focus on the development of new materials with a lower environmental impact: in this perspective, biodegradable plastics are emerging as a possible alternative to the traditional ones. The worldwide bioplastics production exceeded 2 million tons in 2019. However, although biodegradable and compostable plastics are designed to be mineralized by microorganisms in environments suitable for their disposal, if they are not properly collected, they can accumulate in the ecosystems and cause harmful effects on the environment as well as non-biodegradable plastics. Therefore, it is necessary to investigate the mechanisms involved in their degradation by microorganisms and identify which by-products are released during the process, both in natural (soil and water) and in controlled environments, such as composting plants. With this purpose, the work focused on identification of fungal strains able to degrade poly-butylene succinate (PBS), a biodegradable aliphatic polyester. During the first screening, 99 fungi preserved at Mycotheca Universitatis Taurinensis were grown in presence of PBS as sole carbon source, used in form of electrospinnated membrane (a three-dimensional network formed by polymer filaments of few micron), which due to the high surface/volume ratio, allowed a primary rapid selection of organisms able to use PBS as a source of nourishment. Fungal growth was monitored by measuring the colonies diameter and identifying possible halo zones on the PBS membrane. 37 fungal strains (Alternaria, Aspergillus, Cladosporium, Fusarium, and Purpureocillium spp.) showed the capability to degrade the polymer and were assayed by a more selective screening, using PBS films (~ 4 centimeters in diameter, 40 µm thick) as sole carbon source. The most performing fungi were observed under the low vacuum scanning electron microscope in order to assess the physical changes on the PBS surface due to the attack by microorganisms. Finally, one fungus, Purpureocillium lilacinum, with high capacity for colonization and degradation of PBS, was inoculated in liquid culture to study the polymer degradation mechanism: the HPLC-analysis revealed the presence of 1,4-butanediol, one of the two monomers that made up PBS, but not the second one, the succinic acid. No detectable amounts of oligomers were observed, suggesting that the fungus leads to the progressive hydrolysis of the ester bonds of PBS and to a fast utilization of succinic acid. Moreover, the presence of lipase, cutinase and esterase was investigated to identify the enzymes involved in the process, but no significant activity was recognized. Therefore, further studies will be needed to understand the enzymatic transformation of the polymer and the possible metabolites released.
A partire dalla metà del XX secolo, la domanda di materie plastiche ha subito un incremento continuo, raggiungendo nel 2017 una produzione globale di 348 milioni di tonnellate. Dati i grandi volumi di utilizzo delle plastiche, la dispersione e l'accumulo di rifiuti da esse derivati sono aumentati, provocando il rilascio di micro- e nano- plastiche e inquinando ecosistemi acquatici e terrestri. La persistenza delle plastiche nell'ambiente e i problemi provocati alla fauna e alla flora hanno indotto la ricerca a sviluppare materiali con un minore impatto ambientale: in quest'ottica, le plastiche biodegradabili stanno emergendo come possibile alternativa a quelle tradizionali. A livello globale, nel 2019 la loro produzione ha superato 2 milioni di tonnellate. Tuttavia, nonostante le plastiche biodegradabili e compostabili siano progettate per essere mineralizzate dai microorganismi in ambienti idonei al loro trattamento, se non smaltite in modo corretto possono accumularsi e provocare danni all'ambiente così come le plastiche non biodegradabili. Risulta necessario approfondire i meccanismi di degradazione da parte di microorganismi e identificare quali prodotti di degradazione vengano rilasciati durante il processo sia in ambienti naturali (suolo, acque) sia in ambienti controllati (impianti di compostaggio). Con questo scopo, il lavoro si è focalizzato sulla ricerca di ceppi fungini in grado di degradare il poli-butilene succinato (PBS), un poliestere alifatico biodegradabile. 99 funghi, conservati presso la Mycotheca Universitatis Taurinensis, sono stati fatti crescere in presenza di PBS come unica fonte di carbonio, utilizzato sottoforma di membrana electrospinnata (una struttura a rete tridimensionale formata da filamenti del polimero dell'ordine dei micron), che, grazie all'elevato rapporto superficie/volume, ha permesso in tempi brevi una prima selezione degli organismi in grado di utilizzare il PBS come fonte nutritiva. La crescita è stata monitorata misurando il diametro delle colonie e identificando eventuali aloni di degradazione sulla membrana di PBS. 37 funghi (appartenenti soprattutto ai generi Alternaria, Aspergillus, Cladosporium, Fusarium, e Purpureocillium spp.) hanno mostrato buone capacità degradative nei confronti del polimero e sono stati sottoposti ad un secondo screening più selettivo utilizzando film di PBS (~ 4 cm di diametro, 40 µm di spessore) come unica fonte di carbonio. I funghi più performanti sono stati osservati al microscopio elettronico a scansione low vacuum al fine di valutare i cambiamenti fisici sulla superficie del PBS in seguito all'attacco da parte dei microorganismi. Infine, un fungo, Purpureocillium lilacinum, dotato di elevate capacità di degradazione del PBS, è stato inoculato in coltura liquida al fine di studiare il meccanismo di degradazione del polimero: l'analisi HPLC ha rilevato la presenza del 1,4-butandiolo, uno dei due monomeri che compongono il PBS, ma non del secondo monomero, l'acido succinico. Non sono state osservate quantità rilevabili di oligomeri, suggerendo che il fungo porti all'idrolisi progressiva dei legami esteri del PBS e ad un veloce utilizzo dell'acido succinico. Inoltre, è stata investigata la presenza di lipasi, cutinasi ed esterasi al fine di individuare gli enzimi coinvolti, ma non è stata rilevata nessuna attività significativa. Ulteriori studi saranno, quindi, necessari per comprendere il meccanismo di attacco del polimero e gli eventuali metaboliti rilasciati.
Identificazione di funghi in grado di degradare il poli-butilene succinato (PBS): una possibilità per facilitare lo smaltimento di rifiuti bioplastici
FILIPPI, ILARIA
2018/2019
Abstract
A partire dalla metà del XX secolo, la domanda di materie plastiche ha subito un incremento continuo, raggiungendo nel 2017 una produzione globale di 348 milioni di tonnellate. Dati i grandi volumi di utilizzo delle plastiche, la dispersione e l'accumulo di rifiuti da esse derivati sono aumentati, provocando il rilascio di micro- e nano- plastiche e inquinando ecosistemi acquatici e terrestri. La persistenza delle plastiche nell'ambiente e i problemi provocati alla fauna e alla flora hanno indotto la ricerca a sviluppare materiali con un minore impatto ambientale: in quest'ottica, le plastiche biodegradabili stanno emergendo come possibile alternativa a quelle tradizionali. A livello globale, nel 2019 la loro produzione ha superato 2 milioni di tonnellate. Tuttavia, nonostante le plastiche biodegradabili e compostabili siano progettate per essere mineralizzate dai microorganismi in ambienti idonei al loro trattamento, se non smaltite in modo corretto possono accumularsi e provocare danni all'ambiente così come le plastiche non biodegradabili. Risulta necessario approfondire i meccanismi di degradazione da parte di microorganismi e identificare quali prodotti di degradazione vengano rilasciati durante il processo sia in ambienti naturali (suolo, acque) sia in ambienti controllati (impianti di compostaggio). Con questo scopo, il lavoro si è focalizzato sulla ricerca di ceppi fungini in grado di degradare il poli-butilene succinato (PBS), un poliestere alifatico biodegradabile. 99 funghi, conservati presso la Mycotheca Universitatis Taurinensis, sono stati fatti crescere in presenza di PBS come unica fonte di carbonio, utilizzato sottoforma di membrana electrospinnata (una struttura a rete tridimensionale formata da filamenti del polimero dell'ordine dei micron), che, grazie all'elevato rapporto superficie/volume, ha permesso in tempi brevi una prima selezione degli organismi in grado di utilizzare il PBS come fonte nutritiva. La crescita è stata monitorata misurando il diametro delle colonie e identificando eventuali aloni di degradazione sulla membrana di PBS. 37 funghi (appartenenti soprattutto ai generi Alternaria, Aspergillus, Cladosporium, Fusarium, e Purpureocillium spp.) hanno mostrato buone capacità degradative nei confronti del polimero e sono stati sottoposti ad un secondo screening più selettivo utilizzando film di PBS (~ 4 cm di diametro, 40 µm di spessore) come unica fonte di carbonio. I funghi più performanti sono stati osservati al microscopio elettronico a scansione low vacuum al fine di valutare i cambiamenti fisici sulla superficie del PBS in seguito all'attacco da parte dei microorganismi. Infine, un fungo, Purpureocillium lilacinum, dotato di elevate capacità di degradazione del PBS, è stato inoculato in coltura liquida al fine di studiare il meccanismo di degradazione del polimero: l'analisi HPLC ha rilevato la presenza del 1,4-butandiolo, uno dei due monomeri che compongono il PBS, ma non del secondo monomero, l'acido succinico. Non sono state osservate quantità rilevabili di oligomeri, suggerendo che il fungo porti all'idrolisi progressiva dei legami esteri del PBS e ad un veloce utilizzo dell'acido succinico. Inoltre, è stata investigata la presenza di lipasi, cutinasi ed esterasi al fine di individuare gli enzimi coinvolti, ma non è stata rilevata nessuna attività significativa. Ulteriori studi saranno, quindi, necessari per comprendere il meccanismo di attacco del polimero e gli eventuali metaboliti rilasciati.| File | Dimensione | Formato | |
|---|---|---|---|
|
787070_tesi_ilaria_filippi.pdf
non disponibili
Tipologia:
Altro materiale allegato
Dimensione
3.72 MB
Formato
Adobe PDF
|
3.72 MB | Adobe PDF |
I documenti in UNITESI sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/20.500.14240/155106