Tak, potrafią. Pierwsze bakterie zdolne do rozkładu nylonu odkryto w latach 70. ubiegłego wieku. Jednak prawie pół wieku zajęło odkrycie innych, które mogą rozkładać PET (politereftalan etylenu). Czy kiedykolwiek skonsumują nasze śmieci? We Francji istnieje już taki zakład recyklingu.
Historia zaczyna się w 2001 roku na wysypisku śmieci
W 2001 roku japońscy naukowcy, kierowani przez profesora Kohei Oda z Politechniki w Kioto, poszukiwali na wysypisku śmieci bakterii, które mogłyby częściowo rozkładać tworzywa sztuczne lub materiały syntetyczne. Ich celem było znalezienie związku chemicznego wytwarzanego przez bakterie, który mógłby zmiękczać tkaniny syntetyczne.
Poszukiwania te nie były niczym niezwykłym. Wysypiska śmieci są pełne bakterii, a większość mikrobów czerpie energię z rozkładania złożonych związków chemicznych na prostsze. Naukowcy wierzyli, że wśród tych drobnoustrojów niektóre mogą być w stanie rozkładać włókna syntetyczne.
Ku swojemu zdumieniu, naukowcy znaleźli na wysypisku śmieci szczep bakterii, który nie tylko uszkadzał tworzywa sztuczne – całkowicie je rozkładał.
Dlaczego bakterie zjadające plastik zaskoczyły naukowców?
Aby zrozumieć zaskoczenie, należy zrozumieć, czym są tworzywa sztuczne, często określane jako „syntetyki”. Z chemicznego punktu widzenia są to polimery, długie łańcuchy identycznych związków chemicznych zwanych „merami”. Na przykład polietylen składa się z połączonych merów etylenu, a polistyren jest wykonany ze styrenu. Guma to poliizopren, składający się z łańcuchów izoprenu.
Trwałość materiałów syntetycznych wynika częściowo z faktu, że ich złożone łańcuchy są zbyt długie, aby bakterie mogły je rozbić. Od czasu do czasu mikroby mogą przerwać te łańcuchy, na co liczyli japońscy naukowcy, ale generalnie są one dla nich niestrawne.
Wcześniej znany był tylko jeden szczep bakterii, odkryty w 1976 roku w ściekach japońskiej fabryki nylonu, który mógł rozkładać polikaprolaktam lub nylon. W 1995 r. wykazano również, że przy braku innego pożywienia bakterie z rodzaju Pseudomonas również mogą go rozkładać.
To również dlatego syntetyki są takim obciążeniem dla środowiska. Papier i drewno są trawione przez bakterie i grzyby. Polimery wytrzymują przez dziesięciolecia, dopóki nie zostaną uszkodzone przez słońce. Promieniowanie ultrafioletowe ma wystarczająco dużo energii, aby rozerwać wiązania chemiczne, ale jest to dość powolny proces.
Niewielkim pocieszeniem jest to, że około 2% tworzyw sztucznych unoszących się w oceanach znika każdego roku z powodu światła słonecznego, ale stale przybywa ich więcej.
380 milionów ton tworzyw sztucznych produkowanych rocznie
Odkrycie bakterii zdolnych do rozkładu materiałów syntetycznych dało nadzieję, że ludzkość może jakoś poradzić sobie z ciągłą produkcją tworzyw sztucznych.
Szacuje się, że każdego roku produkujemy ponad 380 milionów ton materiałów syntetycznych, a liczba ta stale rośnie. Oczekuje się, że do połowy stulecia ulegnie ona potrojeniu. (Dla porównania, Empire State Building waży około 365 000 ton).
Globalna produkcja tworzyw sztucznych
Produkcja tworzyw sztucznych odnosi się do rocznej produkcji żywicy polimerowej i włókien.
Globalna produkcja tworzyw sztucznych z prognozami na lata 1950-2060
Na całym świecie tylko 9% tworzyw sztucznych jest poddawanych recyklingowi. Co dzieje się z pozostałymi 91%? Cóż, w bogatych krajach trafiają one do spalarni i na wysypiska śmieci. W biedniejszych krajach większość tworzyw sztucznych jest wyrzucana gdziekolwiek.
Udział odpadów z tworzyw sztucznych poddawanych recyklingowi, składowanych, spalanych i niewłaściwie zarządzanych
Gromadzą się one w glebie, zaśmiecają rzeki i są przenoszone przez prądy morskie do mórz i oceanów. Naukowcy szacują, że obecnie w środowisku zalega 5 miliardów ton tworzyw sztucznych.
Tworzywa sztuczne i mikroplastik
Wiele mikroskopijnych fragmentów odpadów z tworzyw sztucznych unosi się w powietrzu i spada wraz z deszczem. Są to głównie maleńkie cząsteczki włókien tkanin syntetycznych i warstw ścieralnych opon samochodowych. Niektóre z nich to fragmenty powstałe w wyniku rozpadu większych odpadów z tworzyw sztucznych.
Zazwyczaj cząsteczki te mają wielkość od 15 do 250 mikrometrów, czyli mniej więcej tyle, ile grubość ludzkiego włosa. Są one znacznie większe niż cząsteczki kurzu, które zwykle nie przekraczają 10 mikrometrów, ale są tak lekkie, że wiatr przenosi je znacznie dalej.
Cząsteczkimikroplastiku odkryto nawet wysoko w Himalajach. Znaleziono je w wodzie pitnej i butelkowanej, kupowanej w sklepach soli morskiej i rybach.
Najmniejsze cząsteczki mogą przenikać z płuc i jelit do krwiobiegu. Nie jest jednak jasne, jaki wpływ mają one na ludzkie ciało. Naukowcy nie są obecnie pewni, czy cząsteczki te nam szkodzą (a jeśli tak, to w jakim stopniu).
Jednak wiele badań wskazuje, że cząsteczki pyłu smogowego są szkodliwe, więc mikroplastiki prawdopodobnie też są.
Dlaczego bakterie jeszcze nie zjadają naszych plastikowych śmieci?
Skoro wiemy, że niektóre bakterie mogą rozkładać syntetyki, dlaczego nie wykorzystujemy mikrobów do pozbycia się tworzyw sztucznych?
Po pierwsze, często istnieje znaczna luka czasowa między odkryciem naukowym a publikacją badań. Na przykład, od odkrycia bakterii rozkładających plastik na wysypisku śmieci do publikacji artykułu badawczego(opublikowanego w 2016 r.) minęło 15 lat. Wynika to częściowo z faktu, że badania są zwykle prowadzone przez mały zespół z ograniczonymi funduszami.
Po drugie, nie jest to magiczna różdżka, która sprawia, że plastik natychmiast znika. Ideonella sakaiensis, nazwa nadana mikrobom, które rozkładają materiał syntetyczny, potrzebuje około siedmiu tygodni, aby rozłożyć dwucentymetrowy fragment plastiku ważący zaledwie 0,2 grama.
Po trzecie, bakterie odkryte przez japońskich naukowców wytwarzają enzym, który rozkłada tylko jeden rodzaj materiału syntetycznego: PET (poli(tereftalan etylenu)). PET jest jednym z najczęściej używanych materiałów syntetycznych, ale z pewnością nie jedynym. Wciąż nie znamy bakterii, które mogłyby rozkładać polipropylen, polistyren, poli(chlorek winylu) lub inne materiały syntetyczne.
Wreszcie, przejście od odkrycia naukowego do zastosowania na skalę przemysłową zajmuje zwykle sporo czasu. Zazwyczaj są to co najmniej dwie dekady.
Nauka to żmudny proces
Czy nie możemy w jakiś sposób ulepszyć metody, za pomocą której bakterie rozkładają PET? Problem polega na tym, że jest to trudne.
Każda reakcja chemiczna zachodzi szybciej w wyższych temperaturach. Bakterie nie mogą jednak zostać przegrzane, w przeciwnym razie umrą. Bakterie (i nasze ciała) rozkładają duże związki chemiczne (takie jak skrobia i łańcuchy białkowe) za pomocą enzymów. Możemy wyizolować enzym z bakterii, który rozkłada materiał syntetyczny, ale sam enzym jest białkiem. Zbyt wysoka temperatura również go zniszczy.
Naukowcy mają różne sposoby na rozwiązanie obu problemów. Mogą hodować bakterie, mając nadzieję, że kolejny szczep (w wyniku mutacji) będzie odporny na wyższe temperatury lub wytworzy enzym odporny na ciepło. (Frances Arnold otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2018 r. za „ukierunkowaną ewolucję”).
Alternatywnie, bakterie można modyfikować za pomocą inżynierii genetycznej. Jest to jednak dość żmudne. Całkiem niedawno, w 2022 r., uzyskano bardziej wydajny enzym, który rozkłada PET znacznie szybciej niż Ideonella sakaiensis i jest odporny na wysokie temperatury (do 70 stopni Celsjusza). Zostało to osiągnięte przez Elisabeth Bell z Uniwersytetu w Manchesterze w ramach jej pracy doktorskiej.
Należy jednak pamiętać, że zostało to osiągnięte dwie dekady po odkryciu tych drobnoustrojów na wysypisku śmieci.
Polowanie na organizmy żywiące się plastikiem
Od 2021 roku francuska firma Carbios rozkłada PET przy użyciu enzymów bakteryjnych. Chociaż 250 kilogramów dziennie może wydawać się niewielkie, daje to ponad 90 ton rocznie. W ten sposób PET jest rozkładany na pojedyncze „cegiełki”, z których można odtworzyć „łańcuch” polimerowy lub materiał syntetyczny.
Można to uznać za recykling, podobny do recyklingu szkła lub aluminium.
Naukowcy nadal poszukują innych bakterii, które mogą rozkładać inne syntetyczne tworzywa sztuczne. W 2019 r. zespół południowokoreańskich badaczy z Uniwersytetu Gwangju odkrył bakterie Bacillus thuringiensis głęboko w glebie pod wysypiskiem śmieci, które, jak podejrzewają, mogą rozkładać polietylen. Być może przyszłość recyklingu tworzyw sztucznych leży w owadach. W 2017 r. doniesiono, że larwy ćmy woskowej (znanej również jako ćma o strukturze plastra miodu) mogą rozkładać polietylen. Wcześniej donoszono, że larwy mącznika młynarka mogą rozkładać polistyren. Jednak owady nie robią tego tak skutecznie jak enzymy bakteryjne.(Ostatnia publikacja)
Naukowcy szacują, że istnieje kilkaset milionów, a może nawet miliard różnych gatunków bakterii. Wciąż nie znamy większości z nich. Możliwe, że gdzieś w glebie lub na terenach podmokłych istnieje gatunek, który będzie rozkładał syntetyki wydajniej i szybciej.
Na razie możemy jedynie zastanawiać się, jak zmniejszyć ilość produkowanego przez nas plastiku.
Wnioski: Odkrycie bakterii zdolnych do rozkładu niektórych tworzyw sztucznych daje promyk nadziei na rozwiązanie globalnego kryzysu związanego z odpadami z tworzyw sztucznych. Chociaż proces ten jest wciąż w powijakach i ma pewne ograniczenia, trwające badania i innowacje mogą utorować drogę do bardziej zrównoważonych rozwiązań w przyszłości.
Często zadawane pytania na temat bakterii zjadających plastik
- Czy bakterie mogą rozkładać tworzywa sztuczne?
- Tak, niektóre bakterie mogą rozkładać określone rodzaje tworzyw sztucznych, takie jak PET.
- Dlaczego odkrycie bakterii żywiących się plastikiem było zaskakujące?
- Tworzywa sztuczne są trwałymi polimerami, a ich długie łańcuchy związków są generalnie niestrawne dla bakterii.
- Ile plastiku produkuje się rocznie?
- Każdego roku produkujemy 380 milionów ton materiałów syntetycznych, a liczba ta stale rośnie.
- Czym są mikroplastiki?
- Mikrodrobiny plastiku to maleńkie cząsteczki plastikowych odpadów, które unoszą się w powietrzu i opadają wraz z deszczem. Można je znaleźć w różnych środowiskach, w tym w wodzie pitnej i owocach morza.
- Dlaczego bakterie nie są jeszcze powszechnie wykorzystywane do rozkładu tworzyw sztucznych?
- Proces ten jest wciąż na wczesnym etapie i istnieją wyzwania związane z wydajnością, specyficznością bakterii dla niektórych tworzyw sztucznych oraz skalowaniem procesu do zastosowań przemysłowych.
Źródła:
https://oko.press/bakterie-rozkladac-plastik
https://www.researchgate.net/profile/Kohei-Oda
https://academic-accelerator.com/encyclopedia/nylon-eating-bacteria
