Πλαστικό με ενσωματωμένα βακτήρια που μπορούν να το «φάνε»

Ένας λόγος για τον οποίο τα πλαστικά απόβλητα παραμένουν στο περιβάλλον για πολλά χρόνια είναι το γεγονός ότι δεν υπάρχουν οργανισμοί που να μπορούν να τα διασπάσουν. Η χημική δομή των περισσότερων πολυμερών είναι σταθερή και αρκετά διαφορετική από τις υπάρχουσες πηγές τροφής, με αποτέλεσμα τα βακτήρια να μην έχουν ένζυμα που θα μπορούσαν να τα διασπάσουν. Η εξέλιξη έχει αρχίσει να αλλάζει αυτή την κατάσταση, όμως, και έχουν εντοπιστεί ορισμένα στελέχη που μπορούν να αφομοιώσουν ορισμένα κοινά πλαστικά.

Μια διεθνής ομάδα ερευνητών αποφάσισε να εκμεταλλευτεί αυτά τα στελέχη και να δεσμεύσει τα βακτήρια που καταναλώνουν πλαστικά μέσα στο υλικό. Προκειμένου να μην το καταναλώνουν όσο είναι σε χρήση, τα βακτήρια αναμειγνύονται ως αδρανείς σπόροι που θα πρέπει να αρχίσουν να επεξεργάζονται το πλαστικό μόνο όταν αυτό απελευθερωθεί στο περιβάλλον. Για να λειτουργήσει αυτό, οι ερευνητές έπρεπε να αναπτύξουν ένα βακτηριακό στέλεχος που να μπορεί να αντέξει τη διαδικασία κατασκευής. Αποδεικνύεται ότι τα εξελιγμένα βακτήρια έκαναν το πλαστικό ακόμη πιο ισχυρό.

Τα πλαστικά σχηματίζονται από πολυμερή, μακρές αλυσίδες πανομοιότυπων μορίων που συνδέονται μεταξύ τους με χημικούς δεσμούς. Αν και μπορούν να διασπαστούν χημικά, η διαδικασία είναι συχνά ενεργοβόρα και δεν αφήνει πίσω της χρήσιμες χημικές ουσίες. Μια εναλλακτική λύση είναι να βάλουμε τα βακτήρια να το κάνουν για εμάς. Εάν διαθέτουν ένα ένζυμο που διασπά τους χημικούς δεσμούς ενός πολυμερούς, μπορούν συχνά να χρησιμοποιήσουν τα   μικρά μόρια που προκύπτουν ως πηγή ενέργειας.

Το πρόβλημα ήταν ότι οι χημικοί δεσμοί στα πολυμερή είναι συχνά διαφορετικοί από τις χημικές ουσίες που έχουν συναντήσει τα έμβια όντα στο παρελθόν, οπότε τα ένζυμα που διασπούν τα πολυμερή ήταν σπάνια. Όμως, με δεκάδες χρόνια έκθεσης στα πλαστικά, αυτό έχει αρχίσει να αλλάζει, και πρόσφατα ανακαλύφθηκε ένας αριθμός βακτηριακών στελεχών που καταναλώνουν πλαστικά.

Αυτή η διαδικασία διάσπασης προϋποθέτει, ωστόσο, ότι τα βακτήρια και τα πλαστικά βρίσκουν το ένα το άλλο στο περιβάλλον. Έτσι, μια ομάδα ερευνητών αποφάσισε να τοποθετήσει τα βακτήρια στο ίδιο το πλαστικό.

Το πλαστικό με το οποίο εργάστηκαν ονομάζεται θερμοπλαστική πολυουρεθάνη (TPU), κάτι που συναντάμε παντού, από τους εσωτερικούς σωλήνες ποδηλάτων μέχρι την επίστρωση στα καλώδια ethernet. Ευτυχώς, έχουν ήδη εντοπιστεί βακτήρια που μπορούν να διασπάσουν το TPU, συμπεριλαμβανομένου ενός είδους που ονομάζεται Bacillus subtilis, ένα ακίνδυνο βακτήριο του εδάφους που έχει επίσης αποικίσει τις πεπτικές μας οδούς. Το B. subtilis έχει επίσης ένα χαρακτηριστικό που το καθιστά πολύ χρήσιμο για την εργασία αυτή: Σχηματίζει σπόρους.

Αυτό το χαρακτηριστικό αντιμετωπίζει ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα με την ενσωμάτωση βακτηρίων σε υλικά: Τα υλικά συχνά δεν παρέχουν περιβάλλον όπου μπορούν να αναπτυχθούν έμβια όντα. Οι σπόροι, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιούνται από τα βακτήρια για να ανέχονται τις κατά τα άλλα ανυπόφορες συνθήκες και στη συνέχεια να επιστρέφουν σε κανονική ανάπτυξη όταν τα πράγματα βελτιώνονται. Η ιδέα πίσω από τη νέα μελέτη είναι ότι οι σπόροι του B. subtilis παραμένουν σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας όσο το TPU είναι σε χρήση και στη συνέχεια ενεργοποιούνται εκ νέου και το αφομοιώνουν μόλις αυτό απορριφθεί.

Το αρχικό πρόβλημα των ερευνητών ήταν ότι η κατασκευή των προϊόντων TPU περιλαμβάνει συνήθως την εξώθηση του πλαστικού σε υψηλές θερμοκρασίες, οι οποίες συνήθως εφαρμόζονται για τη θανάτωση των βακτηρίων. Σε αυτή την περίπτωση, διαπίστωσαν ότι μια τυπική θερμοκρασία κατασκευής (130° C) σκότωσε πάνω από το 90% των σπορίων του B. subtilis σε μόλις ένα λεπτό.

Ως εκ τούτου, ξεκίνησαν εκθέτοντας τους σπόρους του B. subtilis σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και σε σύντομες περιόδους θερμότητας που ήταν αρκετές για να σκοτώσουν τα περισσότερα βακτήρια. Τα επιζώντα αναπτύχθηκαν, τα έκαναν να σποροποιήσουν και στη συνέχεια εκτέθηκαν σε ελαφρώς μεγαλύτερη περίοδο θερμότητας ή ακόμη και σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Με την πάροδο του χρόνου, το B. subtilis ανέπτυξε την ικανότητα να ανέχεται μισή ώρα θερμοκρασίες που θα σκότωναν το μεγαλύτερο μέρος του αρχικού στελέχους. Το προκύπτον στέλεχος ενσωματώθηκε στη συνέχεια στο TPU, το οποίο στη συνέχεια διαμορφώθηκε σε πλαστικά μέσω μιας κανονικής διαδικασίας εξώθησης.

Θα περίμενε κανείς ότι η τοποθέτηση μιας δέσμης βιολογικών υλικών σε ένα πλαστικό θα το αποδυνάμωνε. Αλλά το αντίθετο αποδείχθηκε αληθινό, καθώς διάφορες μετρήσεις της αντοχής του σε εφελκυσμό έδειξαν ότι το πλαστικό που περιείχε σπόρους ήταν ισχυρότερο από το καθαρό πλαστικό. Αποδεικνύεται ότι οι σπόροι έχουν μια επιφάνεια που απωθεί το νερό και αλληλεπιδρά έντονα με τους πολυμερείς κλώνους του πλαστικού. Το ανθεκτικό στη θερμότητα στέλεχος βακτηρίων απωθούσε το νερό ακόμη πιο έντονα και τα πλαστικά που κατασκευάστηκαν με αυτούς τους σπόρους ήταν ακόμη πιο ανθεκτικά.

Για να προσομοιώσουν την υγειονομική ταφή ή την απόρριψη των πλαστικών, οι ερευνητές τα τοποθέτησαν σε λιπασματοποιημένο υλικό (compost). Ακόμα και χωρίς βακτήρια, υπήρχαν οργανισμοί που μπορούσαν να το αποικοδομήσουν μέσα σε πέντε μήνες στο compost, το απλό TPU έχασε σχεδόν τη μισή του μάζα. Αλλά με ενσωματωμένους σπόρους B. subtilis, το πλαστικό έχασε το 93% της μάζας του στο ίδιο χρονικό διάστημα.

Αυτό δεν σημαίνει ότι το πρόβλημα των πλαστικών μας έχει λυθεί. Προφανώς, το TPU διασπάται σχετικά εύκολα. Υπάρχουν πολλά πλαστικά που δεν διασπώνται σημαντικά και μπορεί να μην είναι συμβατά με την ενσωμάτωση βακτηριακών σπορίων. Επιπλέον, είναι πιθανό ότι ορισμένες χρήσεις του TPU θα εξέθεταν το πλαστικό σε περιβάλλοντα που θα ενεργοποιούσαν τους σπόρους, όπως ο χειρισμός τροφίμων ή η θαμμένη καλωδίωση. Παρόλα αυτά, είναι πιθανό αυτή η νέα διαδικασία διάσπασης να προσφέρει μια λύση σε ορισμένες περιπτώσεις, γεγονός που αξίζει να εξεταστεί περαιτέρω.

[via]