Μπορούν τα βακτήρια να διασπάσουν το πλαστικό;

Βακτήρια αποικοδόμησης πλαστικών είναι μια πιθανή μελλοντική λύση στην αυξανόμενη κρίση που περιβάλλει την πλαστική ρύπανση. Το πολυμερές υψηλού μοριακού βάρους είναι πολύ στιβαρό και δύσκολο να αποσυντεθεί, αλλά όχι αδύνατο, εάν εφαρμοστούν οι σωστές τεχνικές.

Αν και μπορεί να είστε ευγνώμονες για τα ανθεκτικά μπουκάλια κέτσαπ που δεν σπάνε όταν χτυπούν στο έδαφος, ίσως να μην είστε τόσο χαρούμενοι όταν μάθετε ότι το ίδιο μπουκάλι θα μπορούσε να πάρει περισσότερα από 400 χρόνια για να αποσυντεθεί.

Χρησιμοποιούμε πλαστικό τόσο συχνά που είναι σχεδόν αδύνατο να φανταστεί κανείς τη ζωή χωρίς αυτό. Πάνε οι μέρες που μπορούσαμε να πάρουμε γάλα σε γυάλινο μπουκάλι. φαίνεται ότι όλα σήμερα έρχονται σε κάποια μορφή πλαστικού.

Και γιατί να μην είναι έτσι; Το πλαστικό είναι εδώ και πολύ καιρό βολικό, στιβαρό, εύκαμπτο, ανθεκτικό στη φθορά και συχνά η πιο φθηνή εναλλακτική λύση στο γυαλί.

Λοιπόν, αυτή δεν είναι πλέον η σύγχρονη προοπτική. Γνωρίζετε πιθανώς την αυξανόμενη ανάγκη μας να περιορίσουμε συλλογικά τη χρήση μη ανακυκλώσιμου πλαστικού επειδή δεν αποσυντίθενται εύκολα, αντιπροσωπεύοντας μια άλλη πλευρά της κρίσης του κλίματος και της βιωσιμότητας.

Η ατελείωτη συσσώρευση πλαστικού. (Φωτογραφία:KarepaStock/Shutterstock)

Τύποι πλαστικού

Το πλαστικό διατίθεται σε πολλούς τύπους, συμπεριλαμβανομένου του PET (τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο) και του πολυαιθυλενίου. Αυτά είναι τα πλαστικά που βρίσκονται πιο συχνά σε είδη οικιακής χρήσης και επίσης μερικά από τα πιο δύσκολο να αποσυντεθούν.

Ευτυχώς, μπορεί να υπάρχει κάποια ελπίδα από τους παλιούς και πιο αξιόπιστους οργανισμούς της φύσης - τα βακτήρια.

Προτού καταλάβουμε πώς τα βακτήρια μπορούν να βοηθήσουν στην επίλυση του προβλήματός μας, ας ξεκινήσουμε με αυτό που κάνει το πλαστικό τόσο άφθαρτο.

Γιατί το πλαστικό είναι τόσο δύσκολο να αποσυντεθεί;

Το πλαστικό είναι μια τεχνητή συνθετική ουσία που αποτελείται από διαφορετικά στοιχεία, όπως άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο και χλώριο. Είναι ένα πολυμερές υψηλού μοριακού βάρους που αποτελείται από επαναλαμβανόμενες μονάδες μονομερών.

Τα υποπροϊόντα του πετρελαίου αποτελούν σημαντική πρώτη ύλη στην κατασκευή πλαστικών. Το πολυαιθυλένιο ή πολυαιθυλένιο είναι το πιο κοινό υποπροϊόν και είναι υπεύθυνο για τη μη βιοαποικοδομήσιμη φύση των πλαστικών.

Κατά τον σχηματισμό πλαστικού, πολλές μονομερείς μονάδες αιθυλενίου ή προπυλενίου, για παράδειγμα, ενώνονται και συνδέονται μεταξύ τους με τη βοήθεια ισχυρών δυνάμεων υδρογόνου. Τέτοιες δυνάμεις είναι σχεδόν αδύνατο να σπάσουν, καθιστώντας το πλαστικό του τελικού προϊόντος σχεδόν άφθαρτο.

Ο λόγος για αυτό είναι απλός:το ίδιο το πετρέλαιο είναι προϊόν αποσύνθεσης εκατομμυρίων ετών από μικροοργανισμούς. Έτσι, είναι λογικό ότι τα προϊόντα που προέρχονται από το πετρέλαιο χρειάζονται πολύ χρόνο για να αποσυντεθούν. Τα φυσικά βακτήρια σπάνια είναι σε θέση να κατανοήσουν τη φύση τέτοιων πολύπλοκων ενώσεων και επομένως δεν μπορούν να την αποικοδομήσουν.

Είναι δυνατόν να υποβαθμιστεί το πλαστικό;

Αυτό το ερώτημα έχει στοιχειώσει επιστήμονες και περιβαλλοντολόγους σε όλο τον κόσμο για πολύ καιρό. Η αυξανόμενη παραγωγή και η ζήτηση για πλαστικά, σε συνδυασμό με την έμφυτη φύση του να είναι σχεδόν αθάνατο, έχει προκαλέσει σοβαρή κριτική σε ειδικούς και επιστήμονες. Πολλές μέθοδοι αποικοδόμησης πλαστικών εφαρμόζονται σήμερα, αλλά η πλήρης εξάλειψη του πλαστικού παραμένει μια μακρινή πιθανότητα.

Οι πιο κοινές μορφές υποβάθμισης του πλαστικού περιλαμβάνουν την έκθεση στο υπεριώδες φως, μαζί με τη μηχανική καταστροφή που προκαλείται από τον άνεμο ή τα κύματα. Η διαδικασία τελικά σπάει τα μεγαλύτερα πλαστικά υλικά σε μικρότερα κομμάτια, τα οποία ονομάζονται νανο- και μικροπλαστικά. Ένα μικροπλαστικό έχει μέγεθος μικρότερο από 5 mm, ενώ ένα κομμάτι νανοπλαστικό είναι κάτι λιγότερο από 0,1 μικρόμετρο.

Ένας ατελείωτος ποταμός από πλαστικό. (Φωτογραφία :Antonio V. Oquias/Shutterstock)

Τα πλαστικά μπορούν να υποβαθμιστούν σε κάποιο βαθμό με τη χρήση μηχανικών μεθόδων, αλλά τα τελικά προϊόντα όπως τα μικροπλαστικά και τα νανοπλαστικά βρίσκουν το δρόμο τους στο θαλάσσιο και χερσαίο οικοσύστημα.

Αυτά τα μικροσκοπικά θραύσματα θεωρούνται εσφαλμένα ως τροφή και καταναλώνονται από θαλάσσια και χερσαία ζώα και τελικά εισέρχονται στην τροφική αλυσίδα. Μια μελέτη που έγινε στο ψάρι Acanthochromis polyacanthus αποκάλυψε ότι μικροπλαστικά με διαστάσεις μεγαλύτερες από 300 μικρόμετρα υπήρχαν στην εντερική κοιλότητα του ψαριού.

Όχι μόνο τα ψάρια αλλά και τα χερσαία ζώα όπως το πρόβατο ή η κατσίκα μπορεί να καταναλώνουν μικροπλαστικά ή νανοπλαστικά ακούσια. Καθώς το ζώο δεν είναι σε θέση να αφομοιώσει πλήρως το πλαστικό που συσσωρεύεται στο πεπτικό του σύστημα. Αυτό το πλαστικό εισέρχεται τελικά στο ανθρώπινο σώμα όταν καταναλώνεται το πεπτικό σύστημα τέτοιων ζώων. Τα πλαστικά περιέχουν πολλά τοξικά συστατικά, όπως καρκινογόνα, μόλυβδο, κάδμιο και υδράργυρο και μπορούν να προκαλέσουν τεράστιες ζημιές κατά την κατάποση.

Οι τρέχουσες μηχανικές μέθοδοι για την αποικοδόμηση του πλαστικού είναι ανεπαρκείς καθώς δεν μπορούν να αποικοδομήσουν πλήρως τα πλαστικά. Εδώ μπαίνουν σε δράση οι μικροοργανισμοί λόγω της ποικιλίας των ενζύμων που υπάρχουν σε αυτούς.

Τα πλαστικά έχουν δει εκπληκτική ανάπτυξη στην κατασκευή και χρήση τους από την εισαγωγή τους το 1960. Η φύση δεν είναι σε θέση να αντιμετωπίσει μια τόσο ταχεία αύξηση στη χρήση πλαστικού. Ως αποτέλεσμα, τα περισσότερα από τα βακτήρια της φύσης δεν έχουν εξελιχθεί πλήρως με ένζυμα ικανά να αποικοδομούν πλήρως το πλαστικό.

Βακτήρια αποικοδόμησης πλαστικών

Όπως λέει το παλιό ρητό, όπου υπάρχει θέληση, υπάρχει τρόπος . Το 2016, μια ομάδα ερευνητών του Τεχνολογικού Ινστιτούτου του Κιότο εντόπισε για πρώτη φορά ένα βακτήριο (πληθυντικός:βακτήρια) Ideonella sakaiensis. Το βακτήριο βρέθηκε σε μία από τις εγκαταστάσεις ανακύκλωσης φιαλών PET στην Ιαπωνία και θα μπορούσε να προσφέρει τις ιδιότητες υποβάθμισης του πλαστικού που χρειάζεται η ανθρωπότητα!

Βακτήρια που τρώνε πλαστικά (Φωτογραφία :Varlamova Lydmila/Shutterstock)

Αυτό δεν είναι το μόνο βακτήριο που μπορεί να επιτύχει αυτό το κάποτε αδύνατο κατόρθωμα. Υπάρχουν μερικά άλλα που μπορούν επίσης να αναγάγουν το πολυμερές πλαστικό σε ολιγομερή (8 μονομερείς μονάδες) και μονομερή.

Βακτήρια που ανήκουν στη φυλή Actinobacteria και τα γένη Thermobifidia , Thermomonospora και Saccharomonospora έχουν δώσει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα με τα ένζυμα αποικοδόμησης του πλαστικού. Υπάρχουν πολλά περισσότερα βακτήρια που μπορούν να αποικοδομήσουν το πλαστικό, αλλά τα ένζυμα που υπάρχουν σε αυτά είναι αργά για βιομηχανική χρήση. Πρέπει να γίνει ακόμη πολλή έρευνα προτού τα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλη κλίμακα.

Πώς οι μικροοργανισμοί αποδομούν το πλαστικό;

Ideonella sakaiensis είναι το καλύτερα μελετημένο μοντέλο για να δείξει πώς τα βακτήρια μπορούν να μειώσουν το πλαστικό.

Το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET) και το πολυστυρένιο είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα οικιακά πλαστικά. Όταν I. sakaiensis έρχεται σε στενή επαφή με επιφάνειες PET, το βακτήριο χρησιμοποιεί ένα εκκρινόμενο ένζυμο υδρολάσης ή PETase για την αποικοδόμηση του PET.

Διαγραμματική αναπαράσταση πλαστικών βακτηρίων αποικοδόμησης. (Φωτογραφία:Varlamova Lydmila/Shutterstock)

Ένα ένζυμο είναι ένας βιολογικός καταλύτης που μπορεί να επιταχύνει τις χημικές αντιδράσεις. Μια αντίδραση υδρολάσης είναι οποιαδήποτε αντίδραση που χρησιμοποιεί ένα μόριο νερού για να διασπάσει έναν χημικό δεσμό.

Εν ολίγοις, μια αντίδραση PETase είναι μια ενζυματική αντίδραση που περιλαμβάνει τη θραύση ενός δεσμού άνθρακα με τη βοήθεια ενός μορίου νερού. Το PET είναι η κύρια πηγή άνθρακα και ενέργειας για το βακτήριο.

Η PETase αποικοδομεί το PET σε μονο (2-υδροξυαιθυλο) τερεφθαλικό οξύ (MHET) και αιθυλενογλυκόλη. Και τα δύο αυτά τελικά προϊόντα είναι συγκριτικά καλοήθη και αποδομούνται ευκολότερα με απλούστερες μεθόδους. Το MHET αποικοδομείται σε 2 μονομερείς ενώσεις από την εξωτερική μεμβράνη του κυττάρου, ενώ η αιθυλενογλυκόλη προσλαμβάνεται εύκολα και χρησιμοποιείται από το I. sakaiensis και άλλα γύρω βακτήρια.

Τέσσερα ένζυμα από το βακτήριο Thermobifidia έχουν αναγνωριστεί ως ισχυροί αποικοδομητές PET. Υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί, καθώς τα ένζυμα αναστέλλονται μερικώς από το ενδιάμεσο προϊόν MHET. Καταβάλλονται προσπάθειες για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο.

Το πολυαιθυλένιο (PE) ή πολυαιθυλένιο είναι ένα πολυμερές μακράς αλυσίδας μονομερών αιθυλενίου που είναι στόχος μικροοργανισμών για αποικοδόμηση. Πολλά βακτήρια μπορούν να αποικοδομήσουν την PE, συμπεριλαμβανομένων των Pseudomonas, Staphlyococcus, Streptomyces, κ.λπ. Ορισμένα είδη μυκήτων θεωρείται επίσης ότι αποικοδομούν την PE, όπως ο Aspergillus , Cladosporium , Πενικίλιο και διάφορα άλλα.

Η χρήση των προαναφερθέντων βακτηρίων και μυκήτων για την αποικοδόμηση πλαστικών πολυαιθυλενίου βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της έρευνας και αναμένουμε συγκεκριμένα στοιχεία σχετικά με την αποτελεσματικότητα και τις δυνατότητές τους για το μέλλον.

Συμπέρασμα

Η ιδέα των βακτηρίων που διασπούν το πλαστικό είναι σίγουρα μια αχτίδα ελπίδας σε ένα δυνητικά σκοτεινό και γεμάτο πλαστικό μέλλον, αλλά υπάρχουν ακόμα πολλά που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Το πρόβλημα έγκειται στη δομή του υψηλού μοριακού βάρους των πλαστικών. Η αρχική του κατάρρευση είναι το εμπόδιο που πρέπει να ξεπεραστεί. Μπορεί να υπάρχουν πολλά ένζυμα που μπορούν να διασπάσουν γρήγορα το πλαστικό, αλλά η τεχνολογία για την ανάπτυξη και την αναγνώρισή τους βρίσκεται ακόμα σε αρχικό στάδιο. Μια τέτοια πολλά υποσχόμενη πηγή είναι η χρήση συνόλων δεδομένων μεταγονιδιώματος.

Η μεταγονιδιωματική είναι η μελέτη του γενετικού υλικού που ανακτάται απευθείας από μια πηγή. Το μεγαλύτερο μέρος της επιστημονικής έρευνας που γίνεται περιλαμβάνει τη μελέτη καθαρών μικροβιακών καλλιεργειών. Μερικές φορές, αυτό μειώνει την κατανόηση του πώς αυτά τα απομονωμένα μικρόβια αντιδρούν με άλλα μικρόβια στο φυσικό τους περιβάλλον.

Η μεταγονιδιωματική καλύπτει αυτό το κενό και παρέχει ένα μέσο για τη μελέτη των μικροβίων στον «οικιακό τους χλοοτάπητα». Αυτή η μέθοδος μπορεί να έχει τη δυνατότητα να αποκαλύψει νέους τύπους μικροβίων που ζουν σε περιβάλλον παρόμοιο με το Ideonella sakaiensis.

Αν και αυτό μπορεί να ακούγεται σαν μια εύκολη και προφανής λύση στο πλαστικό μας πρόβλημα, υπάρχει ακόμα πολλή έρευνα που πρέπει να γίνει. Το μόνο πράγμα που μπορούμε να κάνουμε ως άτομα είναι να κάνουμε συνειδητή προσπάθεια να μειώσουμε τη χρήση πλαστικών. Αυτό το μικρό βήμα, αν και μπορεί να φαίνεται ασήμαντο, μπορεί να είναι ένα μεγάλο όφελος για εμάς και όλες τις μελλοντικές γενιές στον πλανήτη!