Biotechnological tools for plastic waste remediation using marine fungi

Abstract

The presence of plastics in the environment, coupled with their continually increasing production, makes plastic a significant cotemporary issue requiring urgent solutions. This PhD project aimed to enhance the understanding of fungi’s capacity to biodegrade plastics and develop a biotechnological process for plastic waste treatment. Zalerion maritimum, a marine fungus, and Penicillium brevicompactum, a widely distributed and adaptable fungus, were studied and applied to the treatment of plastic polymers. In this work, OMICs approaches, both genomic and proteomic, were employed to unravel the proteins involved in this process. Although the genomes of both fungi contained genes encoding enzymes associated with biodegradation, such as laccases and cytochrome P450, these enzymes were not identified in the proteomics analyses. It appears that the intracellular proteins involved are constitutively produced, suggesting that both fungi use their normal metabolic pathways to convert the microplastics monomers into energy. To optimize conditions and obtain higher percentages of removal of microplastics, Uniform design was used to find the optimal medium for the bioremediation of polyethylene microplastics by Z. maritimum. Additionally, the study explored P. brevicompactum’s ability to biodegrade different polymers, including samples from the food industry, a mulch biofilm, and fibers from facemasks. The response of Z. maritimum in contact with facemasks fibers was also assessed. Penicillium brevicompactum demonstrated an affinity for all tested polymers, particularly exhibiting high removal percentages for lowdensity polyethylene. Furthermore, the toxicity of these polymers was assessed, on soil, using Eisenia andrei as model organism, in freshwater using Chironomus riparius as model organism, and in saltwater using Venerupis corrugata as model organism. The results indicated that all polymers exhibited some level of toxicity, underscoring the importance of developing a bioremediation process for (micro)plastics. Ultimately, the outcomes of this research not only contribute to our understanding of plastic biodegradation by fungi, but also feature a complete genome of a marine fungus as well as the first proteomic study of filamentous fungi grown in the presence of (micro)plastics. Finally, the results also emphasize the global significance of harnessing the ability of fungi to biodegrade plastics.

A presença de plásticos no ambiente e a sua contínua e crescente produção, torna o plástico uma questão da atualidade e que requer soluções urgentes. Este projeto de doutoramento teve como objetivo aumentar o conhecimento relativamente à capacidade de fungos em biodegradar plásticos, para desenvolver um processo biotecnológico para o tratamento de resíduos plásticos. Zalerion maritimum, um fungo marinho, e Penicillium brevicompactum, um fungo muito comum e amplamente distribuído, foram estudados e aplicados no tratamento de plásticos. Para desvendar as proteínas envolvidas nesse processo, foram utilizadas técnicas Ómicas, genómica e proteómica. Embora os genomas de ambos os fungos contenham genes que codificam enzimas associadas à biodegradação, como lacases e citocromo P450, essas enzimas não foram identificadas nas análises proteómicas. O estudo revela que as proteínas intracelulares envolvidas são produzidas constitutivamente, sugerindo que ambos os fungos utilizam as suas vias metabólicas normais para converter os monómeros de microplásticos em energia. Para otimizar as condições e obter maiores percentagens de remoção de microplásticos, foi utilizado o “uniform design” para encontrar o meio ótimo para a biorremediação de microplásticos de polietileno por Z. maritimum. Adicionalmente, foi determinada a capacidade de P. brevicompactum para biodegradar diferentes polímeros, incluindo amostras da indústria alimentar, um “mulch biofilme” e fibras de máscaras descartáveis. A resposta de Z. maritimum em contato com as fibras de máscaras faciais também foi estudada. Penicillium brevicompactum demonstrou afinidade com todos os polímeros testados, tendo demonstrado elevadas percentagens de remoção para o polietileno de baixa densidade. Além disso, a toxicidade dos polímeros também foi avaliada no solo, usando Eisenia andrei como animal modelo, na água doce, usando Chironomus riparius como animal modelo, e na água salgada, usando Venerupis corrugata como animal modelo. Segundo os resultados todos os polímeros apresentam algum nível de toxicidade, destacando a importância do desenvolvimento de um processo de biorremediação de (micro)plásticos. Em última análise, os resultados deste trabalho não apenas contribuem para nossa compreensão da biodegradação de plásticos por fungos, mas também apresentam um genoma completo de um fungo marinho e o primeiro estudo proteómico de fungos filamentosos cultivados na presença de (micro)plásticos. Enfatizam ainda, a importância global de aproveitar a capacidade de biodegradação destes fungos.