Mikroplastik stanowi globalne zagrożenie, a jego wykrywanie tradycyjnymi metodami, takimi jak spektroskopia IR czy Ramana, jest kosztowne i czasochłonne. Zespół z Hong Kong Polytechnic University opracował przełomowy biosensor oparty na genetycznie zmodyfikowanej bakterii Pseudomonas aeruginosa, która emituje zieloną fluorescencję w obecności mikroplastiku, umożliwiając szybkie i tanie monitorowanie zanieczyszczeń w wodzie.

Mikroplastik, czyli plastikowe cząstki mniejsze niż 5 mm, jest wszechobecny – znajduje się w wodzie, glebie, powietrzu, a nawet w ludzkich organizmach, w tym w krwi i tkankach. Szacuje się, że rocznie do oceanów trafia od 9 do 14 milionów ton plastiku, co zagraża ekosystemom i zdrowiu ludzi poprzez akumulację toksyn w łańcuchu pokarmowym. Tradycyjne metody wykrywania mikroplastiku, takie jak spektroskopia podczerwieni (IR) czy spektroskopia Ramana, wymagają kosztownej aparatury, specjalistycznej wiedzy i czasochłonnego przygotowania próbek, co ogranicza ich skalowalność i zastosowanie w terenie. 

Zespół z Hong Kong Polytechnic University (PolyU) opracował innowacyjny biosensor oparty na genetycznie zmodyfikowanej bakterii Pseudomonas aeruginosa, która emituje zieloną fluorescencję w obecności mikroplastiku, umożliwiając szybkie i tanie monitorowanie zanieczyszczeń. Biosensor, opisany w publikacji w ACS Sensors z 3 września 2025 roku, wykorzystuje dwa geny: jeden aktywujący się przy kontakcie z plastikiem, drugi kodujący białko fluorescencyjne GFP. Testy laboratoryjne wykazały jego skuteczność w wykrywaniu PET i polistyrenu w ciągu 3 godzin, a badania w wodzie morskiej potwierdziły zdolność do identyfikacji mikroplastików biodegradowalnych.

Mikroplastik jako globalne zagrożenie

Mikroplastik to cząstki plastiku o średnicy poniżej 5 mm, pochodzące z rozpadu większych odpadów, takich jak butelki PET, torby polietylenowe czy styropian, oraz z produktów takich jak kosmetyki czy włókna syntetyczne. Główne typy mikroplastiku to polietylen (PE), polipropylen (PP), polistyren (PS) i polietylen tereftalanowy (PET). Rocznie do oceanów trafia od 9 do 14 milionów ton plastiku, a w wodzie pitnej w Chinach wykryto średnio 2753 cząstki mikroplastiku na litr w wodzie surowej i 343,5 cząstki w wodzie kranowej.

Zanieczyszczenie mikroplastikiem ma poważne konsekwencje ekologiczne i zdrowotne. Cząstki te są połykane przez organizmy morskie, co prowadzi do toksyczności i zakłóceń w łańcuchu pokarmowym – w 2018 roku mikroplastik stwierdzono w ponad 114 gatunkach wodnych. Ludzie spożywają mikroplastik z wodą, solą, owocami czy warzywami, co może powodować stany zapalne i problemy hormonalne.

Obecne metody wykrywania, takie jak spektroskopia IR czy Ramana, są dokładne, ale wymagają drogiego sprzętu i czasochłonnego przygotowania próbek, co ogranicza ich stosowanie w szybkim monitoringu terenowym. Potrzeba tańszych i szybszych metod jest pilna, aby skutecznie kierować działaniami oczyszczającymi i monitorować rozprzestrzenianie się mikroplastiku w środowisku.

Innowacyjna metoda z użyciem bakterii

Zespół z Hong Kong Polytechnic University, kierowany przez prof. Song Lin Chua, opracował biosensor oparty na genetycznie zmodyfikowanej bakterii *Pseudomonas aeruginosa*, znanej z naturalnej zdolności do kolonizacji plastiku poprzez tworzenie biofilmu. Bakteria została zmodyfikowana poprzez wprowadzenie dwóch genów: jeden koduje białko aktywujące się przy kontakcie z plastikiem, drugi – zielone białko fluorescencyjne (GFP), które emituje światło w obecności mikroplastiku.

Mechanizm działania biosensora opiera się na specyficznej interakcji bakterii z polimerami. Po kontakcie z mikroplastikiem, takim jak PET czy polistyren, aktywuje się gen kodujący białko wiążące plastik, co wyzwala ekspresję GFP. Zielona fluorescencja, widoczna gołym okiem lub pod prostym fluorometrem, sygnalizuje obecność mikroplastiku w próbce. Metoda nie wymaga skomplikowanego przygotowania próbek ani drogiej aparatury, co odróżnia ją od tradycyjnych technik, takich jak spektroskopia Ramana.

Bakteria P. aeruginosa została wybrana ze względu na jej zdolność do tworzenia biofilmu na powierzchni plastiku, co zwiększa czułość biosensora. Biofilm, lepka substancja produkowana przez mikroorganizmy, ułatwia wiązanie mikroplastiku, umożliwiając jego detekcję nawet przy niskich stężeniach.

Testy laboratoryjne

Testy laboratoryjne przeprowadzone przez zespół PolyU wykazały wysoką skuteczność biosensora. W eksperymentach bakterie P. aeruginosa umieszczono w fiolkach zawierających różne polimery, takie jak polietylen tereftalanowy (PET, symbol recyklingu 1) i polistyren (PS, symbol 6). Po trzech godzinach od kontaktu z mikroplastikiem bakterie emitowały zieloną fluorescencję, sygnalizując obecność plastiku. Biosensor wykazał specyficzność, nie reagując na materiały takie jak szkło czy piasek, co potwierdza jego selektywność wobec syntetycznych polimerów. Testy obejmowały zarówno tradycyjne polimery, jak PET i PS, jak i biodegradowalne, takie jak polikaprolakton, co wskazuje na szerokie spektrum działania biosensora.

Zmodyfikowane bakterie zachowywały żywotność przez co najmniej trzy dni w temperaturze 4°C, co sugeruje możliwość transportu biosensora na miejsca badań terenowych bez utraty skuteczności. Szybkość reakcji – fluorescencja w ciągu 3 godzin – czyni metodę znacznie szybszą niż tradycyjne techniki, które wymagają wielogodzinnego przygotowania próbek.

Wyniki laboratoryjne potwierdzają, że biosensor jest nie tylko czuły, ale także praktyczny w użyciu. Jego zdolność do szybkiego wykrywania mikroplastiku bez zaawansowanego sprzętu otwiera drogę do zastosowań w monitoringu środowiskowym, szczególnie w regionach o ograniczonych zasobach technologicznych.

Badania terenowe

Zespół PolyU przetestował biosensor w rzeczywistych warunkach, stosując go do analizy próbek wody morskiej z miejskich dróg wodnych w Hongkongu. Próbki zostały najpierw przefiltrowane, aby usunąć duże cząstki, a następnie poddane obróbce chemicznej w celu degradacji materii organicznej, która mogłaby zakłócać działanie bakterii. Po dodaniu zmodyfikowanej P. aeruginosa niektóre próbki wykazały intensywną zieloną fluorescencję, wskazującą na obecność mikroplastiku w stężeniu do 100 części na milion (ppm).

Wyniki zostały zweryfikowane za pomocą mikrospektroskopii Ramana, która potwierdziła, że wykryte mikroplastiki obejmowały polimery biodegradowalne, takie jak poliakrylamid, polikaprolakton i metyloceluloza. To istotne, ponieważ biosensor okazał się skuteczny także wobec polimerów, na które nie był pierwotnie testowany w laboratorium, gdzie skupiono się na PET i PS.

Testy terenowe pokazały, że biosensor jest zdolny do wykrywania mikroplastiku w złożonych próbkach środowiskowych, co czyni go obiecującym narzędziem do monitoringu wód morskich i słodkowodnych. Przygotowanie próbek, choć wciąż wymagane, jest znacznie prostsze niż w przypadku tradycyjnych metod, co zwiększa praktyczność biosensora.

Zalety i ograniczenia nowej metody

Biosensor oparty na P. aeruginosa oferuje kilka kluczowych zalet. Po pierwsze, jest szybki – fluorescencja pojawia się w ciągu 3 godzin, w porównaniu do wielogodzinnych analiz spektroskopowych. Po drugie, jest tani, ponieważ nie wymaga zaawansowanej aparatury – wystarczy prosty fluorometr lub obserwacja gołym okiem przy odpowiednim oświetleniu. Po trzecie, biosensor jest łatwy w użyciu w terenie, a jego żywotność (do 3 dni w 4°C) umożliwia transport i stosowanie w odległych lokalizacjach. Metoda eliminuje potrzebę skomplikowanego przygotowania próbek, co obniża koszty i przyspiesza analizy. W porównaniu z tradycyjnymi technikami, takimi jak spektroskopia IR, biosensor jest bardziej dostępny dla regionów o ograniczonych zasobach technologicznych, co może wspierać globalne wysiłki w monitoringu mikroplastiku. Głównym ograniczeniem jest użycie genetycznie zmodyfikowanych organizmów (GMO), co budzi obawy dotyczące bezpieczeństwa biologicznego. *P. aeruginosa* to oportunistyczny patogen, który może powodować infekcje u ludzi, szczególnie w środowiskach medycznych, co wyklucza jego stosowanie w projektach na dużą skalę bez dodatkowych zabezpieczeń. Badacze sugerują jednak, że metodę można dostosować, wykorzystując naturalne bakterie tworzące biofilm, co mogłoby zmniejszyć ryzyko.

Możliwości praktycznego zastosowania

Biosensor PolyU ma szerokie możliwości zastosowania w monitoringu środowiska. Może być używany do szybkiego screening u jakości wód morskich i słodkowodnych, umożliwiając identyfikację obszarów o wysokim poziomie zanieczyszczenia mikroplastikiem. Tego typu dane są kluczowe dla planowania działań oczyszczających, szczególnie w regionach takich jak Wielka Pacyficzna Plama Śmieci, gdzie gromadzi się ogromna ilość plastiku.

Metoda sprawdzi się jako wstępny screening przed bardziej szczegółowymi analizami laboratoryjnymi, co pozwoli zaoszczędzić czas i zasoby. Na przykład samorządy mogą używać biosensora do monitorowania lokalnych zbiorników wodnych, a organizacje ekologiczne do oceny wpływu mikroplastiku na ekosystemy.

W badaniach naukowych biosensor może wspierać analizę rozprzestrzeniania się mikroplastiku w różnych środowiskach, od oceanów po systemy wodociągowe. Jego zdolność do wykrywania zarówno tradycyjnych, jak i biodegradowalnych polimerów czyni go wszechstronnym narzędziem dla naukowców badających dynamikę zanieczyszczeń.

W gospodarce wodnej biosensor może pomóc w kontroli jakości wody pitnej, szczególnie w regionach, gdzie zanieczyszczenie mikroplastikiem jest wysokie, jak w Chinach, gdzie wykryto tysiące cząstek na litr. Dalszy rozwój metody, w tym dostosowanie do naturalnych bakterii, może zwiększyć jej skalowalność i bezpieczeństwo, otwierając drogę do globalnego zastosowania.