Enzymy mikroorganizmów w walce z tworzywami sztucznymiCzas czytania: 10 min

Ziemia jest planetą bardzo dobrze przystosowaną do życia, bowiem posiada szereg właściwości umożliwiających przetrwanie oraz przeprowadzanie wszystkich procesów życiowych, a do tego – na co zwracają uwagę autorzy książki Wyjątkowa planeta – sprzyja rozwojowi nauki¹. Choć stałe parametry umożliwiające życie są relatywnie stabilne, to jednak nasze środowisko naturalne cały czas ulega przekształceniom, które zachodzą nie tylko na skutek działania procesów przyrodniczych, ale także działalności człowieka (zmiany antropogeniczne), szczególnie takiej, która jest związana z urbanizacją oraz globalizacją. Różnorakie odpady lub szkodliwe produkty chemiczne były na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci powodem takich szkodliwych zjawisk jak kwaśne deszcze, dziura ozonowa, smog czy efekt cieplarniany, który odpowiada za globalne ocieplenie klimatu². (Należy tutaj przyznać, że w nauce nie ma zgody na to, jaki jest wpływ człowieka na środowisko). Aktualnie jednym z palących problemów środowiskowych, na który najczęściej zwraca się uwagę w ekologii i biogeografii, jest nadmiar odpadów składających się z tworzyw sztucznych, nazywanych również plastikiem.

Czym jest plastik?

Tworzywa sztuczne to – najogólniej rzecz ujmując – materiały składające się z polimerów syntetycznych, często z dodatkiem materiałów modyfikujących. Polimery to substancje chemiczne o dużej masie cząsteczkowej, składające się z wielokrotnie powtórzonych jednostek nazywanych merami – najprostszych, jakie da się wyróżnić, stale powtarzających się fragmentów cząsteczki³. Polimery występujące naturalnie w przyrodzie nazywane są biopolimerami, a są to m.in. celuloza (nierozgałęziony polisacharyd zbudowany z 3000–14 000 cząsteczek D-glukozy – materiał budulcowy ściany komórkowej wielu gatunków roślin oraz niektórych bakterii i grzybów), czy glikogen (polisacharyd zbudowany z około 100 000 połączonych reszt D-glukozy – materiał zapasowy w mięśniach poprzecznie prążkowanych oraz w wątrobie, np. u ludzi)⁴. Natomiast polimery syntetyczne to tworzywa, które w sposób sztuczny są w całości otrzymywane ze związków chemicznych o małej masie cząsteczkowej, nazywanych monomerami. Jednymi z najbardziej powszechnych polimerów syntetycznych są: polipropylen PP (polimer propylenu – propenu; wykorzystywany do produkcji m.in. jednorazowych strzykawek, naczyń laboratoryjnych, zderzaków samochodowych czy zabawek), polietylen PE (polimer etylenu – etenu; wykorzystywany w produkcji m.in. folii, pojemników czy nakrętek do butelek PET), polistyren PS (polimer styrenu – winylobenzenu; wykorzystywany do produkcji m.in. sztucznej biżuterii, szczoteczek do zębów oraz styropianu), polichlorek winylu PVC (polimer chlorku winylu; wykorzystywany w produkcji m.in. rur PVC, płyt gramofonowych czy strzykawek, cewników, sond i drenów) oraz politereftalan etylenu PET (polimer kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego; wykorzystywany głównie w produkcji butelek do napojów bezalkoholowych)⁵. Zaletą tworzyw sztucznych jest łatwość przetwórstwa oraz niskie koszty obróbki i wykonywania licznych serii wyrobów w porównaniu do innych grup materiałów. Wspomniane cechy są głównymi powodami tak szerokiego i intensywnego rozwoju przemysłu tworzyw polimerowych. Surowce, jakimi są polimery syntetyczne, pozwalają także na wielokrotne wykorzystanie ich do produkcji różnego rodzaju materiałów i wyrobów, bowiem pozwalają na recykling⁶. Odzysk i recykling takich materiałów, jak szkło, papier, tworzywa sztuczne czy metale, ma na celu ograniczenie składowania odpadów oraz maksymalne wykorzystanie danego surowca. Problem pojawia się wtedy, kiedy tworzywa sztuczne trafiają na wysypiska odpadów lub do innego rodzaju składowisk, gdyż ich rozkład w środowisku naturalnym trwa kilkaset lat⁷.

Tworzywa sztuczne jako zanieczyszczenie środowiska

Intensywna produkcja kolejnych opakowań z PE czy butelek z PET przy jednoczesnym rażącym zaniedbywaniu segregacji odpadów jest powodem znacznego i nieustannie postępującego zanieczyszczania środowiska. Zanieczyszczenie naszej planety plastikiem jest tak wysokie, że w 2009 roku odkryto jego ślady nawet w rdzeniu lodowym na Antarktydzie, choć kontynent ten nie jest zamieszkiwany przez człowieka⁸. Ponadto zwraca się także uwagę na szkodliwość mikroplastiku, czyli drobnych cząstek tworzyw sztucznych pochodzących z rozpadu większych materiałów polimerowych (np. fabryczna obróbka PET, butelkowanie wody czy ścieranie się opon samochodu w trakcie jazdy) lub będących składnikami różnorakich środków (np. peelingów czy środków czyszczących). Mikroplastik jest aktualnie obecny w niemal każdym naturalnym zbiorniku wodnym na Ziemi, a często przez układ pokarmowy trafia do organizmów zwierzęcych, a nawet do organizmu człowieka⁹. W ten sposób odpady z syntetycznych tworzyw polimerowych nie tylko zanieczyszczają całą planetę, ale również żywe organizmy, stając się zagrożeniem nie tylko dla środowiska, ale i dla życia¹⁰.

Jak pozbyć się nadmiaru plastiku?

Narastający problem zanieczyszczenia środowiska tworzywami sztucznymi indukuje potrzebę znajdowania rozwiązań technologicznych oraz systemowych, aby zaradzić wspomnianemu problemowi. Jednym z najważniejszych elementów dbałości o środowisko pod tym względem jest recykling odpadów, aczkolwiek współczesna nauka nieustannie bada kolejne rozwiązania, które w choć niewielkim stopniu będą mogły zredukować ilość odpadów polimerowych w środowisku naturalnym. Niedawno na łamach specjalnego numeru „Science” poświęconego problemowi gospodarki polimerowymi odpadami ukazał się artykuł zatytułowany Achieving a Circular Bioeconomy for Plastics [Osiągnięcie zamkniętego obiegu bioekonomicznego dla plastiku] autorstwa Sarhy Kakadellis i Glorii Rozety. Autorki zwracają uwagę, że w efektywnym gospodarowaniu odpadami należy zintegrować podejście techniczne, chemiczne oraz biologiczne w taki sposób, aby produkowane tworzywa sztuczne były biodegradowalne, czyli złożone ze związków organicznych i podatne na biochemiczny rozkład przez saprobionty (np. bakterie, grzyby czy protisty) na prostsze związki nieorganiczne. W ten sposób takie biotworzywa, np. Bio-PET, mogą zwracać węgiel i niektóre składniki odżywcze do gleby. Autorki zauważają jednak, że szczególną wagę należy przywiązywać do odzysku i recyklingu¹¹.

Zjadacze plastiku

W tym samym numerze „Science” ukazał się również bardzo ważny artykuł zatytułowany The Plastic Eaters [Zjadacze plastiku] autorstwa Warrena Cornwalla. Autor prezentuje aktualny stan wiedzy na temat mikroorganizmów, które mogą utylizować tworzywa sztuczne. Drobnoustroje żywiące się plastikiem były już przedmiotem licznych badań oraz stanowią podstawę do opracowywania nowych linii tworzyw biodegradowalnych¹². W badaniach nad redukcją plastikowych odpadów skupiano się nie tylko na drobnoustrojach, ale również na większych organizmach, a konkretnie na niektórych gatunkach chrząszczy. Zaobserwowano bowiem, że przedstawiciele chrząszczy z gatunków Zophobas atratus oraz Tenebrio molitor żywią się polistyrenem (PS) oraz polietylenem (PE)¹³. Czynią to jednak we współpracy m.in. z bakteriami ze szczepu Pseudomonas oraz innymi przedstawicielami mikrobiomu¹⁴. Cornwall w swoim artykule skupia się nie tyle na uwarunkowaniach drobnoustrojów trawiących plastik, ale na enzymach, którymi się posługują w tym procesie. Uczony spekuluje, że odpowiednia laboratoryjna modyfikacja tych enzymów może pozwolić na kontrolowany i przyspieszony biologiczny rozkład polimerów syntetycznych¹⁵. W artykule zatytułowanym Could Plastic-eating Microbes Take a Bite Out of the Recycling Problem? [Czy mikroby żywiące się plastikiem mogą rozwiązać problem recyklingu?], opublikowanym równolegle na portalu „Science”, Cornwall proponuje wykorzystanie enzymów rozkładających PET jako wspomagania recyklingu. Enzymy te miałyby pomagać rozkładać polimery do monomerów, aby następnie mogły one ponownie zostać poddane reakcjom polimeryzacji¹⁶.

Cornwall zauważa jednak, że istnieje wiele konkurencyjnych propozycji przeprowadzania procesu recyklingu. Najistotniejszym jednak aspektem w tej kwestii jest redukcja plastikowych odpadów, a cel ten osiąga się zarówno dzięki konwencjonalnemu recyklingowi, wytwarzaniu tworzyw biodegradowalnych, jak i recyklingowi wspomaganemu enzymatycznie. Prezentowane odkrycia są jednak kolejnym ważnym krokiem w kierunku redukcji nadmiaru tworzyw sztucznych, co w dłuższej perspektywie może przyczynić się do poprawy jakości środowiska.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 18.07.2021

Literatura: