ERA-NET: Marine microorganisms for bioplastics production

I MarPlast har vi utviklet metoder for å benytte marine bakterier til produksjon biologisk nedbrytbar bioplast fra biomasser som i dag er lite utnyttet. Den tradisjonelle petroleumsbaserte plasten har vært og er et uunnværlig materiale for oss forbrukere, og forbruket av plast har økt dramatisk siden 1950 tallet. Resultatet av dette ser vi nå som forurensing av naturen og verdenshavene. Petroleumsbasert plast har lang holdbarhet og mikroplast som dannes under nedbrytningen kan ha uønsket effekt ved at den kommer inn i næringskjeden via plankton og andre små dyr. En fremtidsrettet løsning er derfor å erstatte noe av den petroleumsbasert plasten med nedbrytbare alternativer fra fornybare kilder. I naturen finnes denne løsningen, og mange bakterier har den geniale egenskapen at de kan omdanne ulike karbonkilder til polymeren polyhydroxyalkanoat (PHA) som er en type nedbrytbar bioplast. Ulike typer bakterier kan lage ulike PHA molekyler som igjen påvirker bioplastens egenskaper, og det er bakteriens egne enzymer og karbonkilder i vekstmediet som avgjør hvilken PHA som dannes. I MarPlast har vi undersøkt flere hundre marine bakterier og våre beste PHA kandidater tilhører bakteriefamiliene Halomonadaceae (Halomonas sp og Cobetia sp), Vibrionaceae (Photobacterium sp) og Pseudomonadaceae. Disse lager litt forskjellige typer PHA som vil ha betydning for bioplastens egenskaper med hensyn på elastisitet og styrke. Alle disse kan lage bioplast fra enkle karbonkilder som glukose, men det interessante og nyttige er at vi har fått noen av disse til å produsere relativt gode mengder PHA fra en fiskeolje som er et kategori 2 restråstoff fra oppdrettsnæringen (produkt etter ensilering av syk og selvdød fisk). Vi har også lovende kandidater som produsere store mengder ved å forbruke glyserol som finnes i restråstoff fra biodiesel produksjon. Vi har også undersøkt arvematerialet til bakteriene som gir informasjon om PHA syntesen, samt undersøkt og karakterisert enzymer som kreves for polymerisering av PHA i bakteriene. Denne kunnskapen vil kunne benyttes for å skreddersy en bioplast med ønskede egenskaper. Fokus i prosjektet har også vært på å utvikle «grønne» metoder for ekstraksjon av PHA. Prosjektet har vært et samarbeid mellom forskere ved universitetene i Tromsø (Norge), Umeå (Sverige) og Bukarest (Romania).

In MarPlast we have develop and provided tools (bacteria, enzymes, pathways and methods) to enable efficient production and extraction of sustainable and biodegradable bioplastics from low-cost unexploited biomass using marine bacteria. The project has been an international collaboration between the universities in Tromsø (UiT, Norway), Umeå (UmU, Sweden) and Bucharest (UB, Romania). Our research has been interdisciplinary merging the fields of microbiology, biotechnology and chemistry. The research field will benefit greatly from our findings and new ideas will arise based on our discoveries. In the long term, the industry and society will also benefit from having more knowledge in this field, and new environmental friendly bioplastic can emerge together with new jobs related to its production. Our bacteria with their unique bioplastic-producing abilities and enzymes are good tools in the quest for even better plastics that is degradable and non-fossil.

Plastics are cheap, lightweight, and durable materials, which have resulted in their use in an enormous range of products and mass production has steadily increased since around the 1950s. However, the limited degradability of most plastics has led to an accumulation of large amounts in Nature, in particular in the sea. The exposure to sunlight causes a disintegration of plastics into nanoparticles, which are ingested by marine organisms and has been shown to enter our food chain. The long-term effect of this is not fully understood, but the steady increase in microplastic concentration could result in dramatic effects on the vulnerable wildlife of the oceans and marine food supplies. It is therefore of immediate importance to develop novel types of polymeric materials that can be sustainably produced to address these environmental concerns. MARPLAST focuses on Polyhydroxyalkanoates (PHAs), a class of biodegradable bioplastics which are considered to be feasible replacements for current petroleum-based plastics. PHAs are polymers occurring in nature, produced among others by bacteria, and with properties similar to oil-derived polypropylene and polyesters, rendering them useful as an attractive biodegradable replacement. However, the naturally occurring PHA production pathways are not sufficiently understood, and currently known technologies for production are too costly to allow for a full-scale replacement. MARPLAST aims to develop and provide tools (bacteria, enzymes, and pathways) to enable efficient production of sustainable and biodegradable bioplastics from low-cost unexploited biomass. Focus will be on PHA-producing cold-adapted marine bacteria, with a range of properties that make them especially suitable for industrial applications. MARPLAST will utilize expertise from the Univ of Tromsø (Norway), Univ of Bucharest (Romania) and Umeå University (Sweden) to make important progress and contributions to the transition to a bio-based European economy.