مطالعات اخیر محققان راههای جالبی مانند استفاده از باكتریها و آنزیمهای پلاستیكخوار برای غلبه بر چالش فزاینده آلودگی پلاستیك ارائه داده است
دور زدن پلاستیك از مسیر تازه
آلودگی پلاستیك به یكی از مهمترین مشكلات زیست محیطی سراسر دنیا تبدیل شده است. افزایش محصولات پلاستیكی شرایط را به حدی پیچیده كرده كه با فناوری امروز نمیتوان از عهده كنترل آن برآمد. در ضمن این آلودگی در كشورهایی كه سیستم بازیافت مناسب یا كارآمد ندارند، بیشتر خود را نشان میدهد. از طرفی تولید بالای این محصولات در كشورهای پیشرفته هم به معضلی تبدیل شده است. ایران ما هم گرفتار آلودگی پلاستیك است. بنابه گزارش سال گذشته اقتصاد آنلاین و به نقل از ایسنا، ایران سالانه حدود ۱۸۵ هزار تن پلاستیك تولید میكند كه به گفته فاطمه اكبرپور، كارشناس پسماند اداره محیط زیست، مقدار بازیافت این زبالههای پلاستیكی كمتر از یك درصد است. همچنین نام ایران بین ده كشور نخست پرمصرف ظروف یكبار مصرف پلاستیكی دیده میشود. از آنجا كه آلودگی پلاستیك، سلامت انسان، حیات وحش و به طور كلی سلامت حیات در سیاره زمین را به خطر انداخته است، محققان و دانشمندان سراسر دنیا به دنبال راهحل مناسبی برای این معضل جهانی هستند. در ادامه به گوشهای از این تلاشها اشاره شده است. دانشمندانی كه در این زمینه فعالیت میكنند، امیدوارند در آیندهای نه چندان دور سیستم بازیافتی بنا كنند كه بتوان با خیالی آسوده از محصولات پلاستیكی استفاده كرد.
این محققان امیدوارند بتوانند با استفاده از این آنزیم، دنیایی را مهندسی كنند كه در آن بتوان بدون نگرانی، محصولات پلاستیكی را استفاده كرد. در چنین دنیایی، سیستمهای بازیافت آنقدر توانمند هستند كه با كمك میكروارگانیسمها، پلیمرها را به مواد شیمیایی تشكیلدهندهشان تجزیه كنند و سپس با استفاده از این مواد شیمیایی، محصولات جدیدی تولید شود.
در سیستمهای بازیافت فعلی، تنها كاری كه میتوان انجام داد، خردكردن پلاستیكها به اجزای بسیار ریز است. سپس سازندگان از این مواد خرد شده برای تولید محصولات پلاستیكی جدیدی كه كیفیت پایینتری دارند، استفاده میكنند.
اما در سیستم بازیافت زیستی، ارگانیسمهای پلاستیكخوار پس از تجزیه پلاستیكها، بلوكهای ساختمانی جدیدی تولید میكنند كه با آنها میتوان محصول جدیدی تولید كرد.
از لحاظ تاریخی جالب است بدانید زمانی پلاستیك برای نجات جان فیلهایی تولید شد كه برای بریدن عاج شكار میشدند. اما اكنون تولید حجم بالای این محصول، جان انسان و سلامت محیط زیست و بسیاری از گونههای جانوری خشكی و دریایی را به خطر انداخته است. اكنون سالانه بیش از ۳۰۰میلیون تن زباله پلاستیكی تولید میشود.
متاسفانه ما از پلیمرهای امروزی به شكل ظروف و پلاستیكهای یكبار مصرف استفاده میكنیم و هر سال تقریبا ۹ میلیون تن زباله پلاستیكی راه خود را به سواحل دریاها باز میكنند. احتمالا باید از چرخاب زباله اقیانوس آرام چیزی شنیده باشید. نیمه شمالی اقیانوس آرام پر از زبالههای پلاستیكی است كه در چرخاب بزرگ اقیانوس آرام گیرافتادهاند. همچنین بنابر تخمین محققان، چنانچه با روند فعلی ادامه دهیم، احتمال دارد تا سال ۲۰۵۰ میلادی در دریاها، بیشتر از ماهی، پلاستیك وجود داشته باشد!
جانسون و تیم تحقیقاتیاش به دنبال روشی هستند كه بلوكهای ساختمانی پلاستیكها را تغییر داده و آنها را به محصولات بهتری مانند قطعات خودرو، توربینهای بادی و ... تبدیل كنند. آنها به دنبال روش جدیدی برای بازیافت زبالههای پلاستیكی هستند.
كشف تصادفی نوعی آنزیم پلیمرخوار
جانسون و تیم تحقیقاتیاش با محققانی دیگر از فلوریدا، انگلستان و برزیل، شروع به تحقیق و بررسی برای تولید سیستم كارآمد بازیافت زیستی زبالههای پلاستیكی كردند. آنها در تلاشند بفهمند چگونه میتوان اشتهای باكتریهای پلاستیكخوار را از طریق مهندسی ژنتیك افزایش داد. یكی از اهداف آنها بهبود آنزیمهایی است كه سلولزها را مصرف كرده و به قند تبدیل كنند.
محققان ژاپنی، سال 1395/ ۲۰۱۶ نوعی باكتری در نمونه خاكهای نزدیك كارخانه بازیافت بطری پیدا كردند كه میتوانست پلیاتیلن ترفتالات (PET) را بخورد؛ مادهای كه سازندگان بطری و ظروف پلاستیكی از آن بسیار استفاده میكنند.
یكی از محققان دانشگاه كیئو در ژاپن متوجه شد این باكتری از خود، آنزیمی ترشح میكند كه میتواند پلیمرها را به مواد شیمیایی سازندهاش تبدیل كند. آنها این باكتری حیرتانگیز را Ideonella sakaiensis نامیدند. اما متاسفانه این باكتری خیلی سریع عمل نمیكند. مثلا در مدت شش هفته فقط میتواند یك لایه نازك از PET را مصرف كند. این روند مناسب سیستم بازیافت نیست. در ضمن، رشد این نوع باكتریها هم به دقت بسیاری نیاز دارد.
سپس محققان برای درك بهتر باكتریهای خورنده پلیاتیلن ترفتالات و آنزیمهای آنها (پتاز)، شروع به ترسیم ساختارهای ریزآنزیمها كردند تا روشی بیابند كه این باكتریها، پلیاتیلن ترفتالات را بهتر و سریعتر مصرف كرده و هضم كنند. سپس با كمك محققان دیگر كه در این زمینه فعالیت میكردند، توانستند مدلهای پیچیده رایانهای و روش كار مواد شیمیایی سلولزی را شبیهسازی كنند و به شكلی هدفمند به بررسیهای خود ادامه دهند.
مولكولهای پلیمر مانند آجرهای لگو هستند كه به راحتی میتوان آنها را از هم جدا كرد و باكتریهای خورنده پلیاتیلن ترفتالات میتوانند این كار را به خوبی انجام دهند.
اما محققان برای درك فرآیند كار این باكتریها، باید آنزیم پتاز را به اندازه كافی در دسترس داشته باشند. بنابراین آنها ژنی مصنوعی تولید كردند كه میتوانست پتاز بسازد. سپس آن را وارد باكتری ای.كولای كردند. این باكتری، نوعی موجود تك سلولی است كه خیلی راحت و سریع در آزمایشگاه رشد میكند. محققان كد ژنتیكی این باكتری مسمومكننده غذا را كه جهشیافته بود در آزمایشگاه فعال كردند و آن شروع به تولید آنزیم پتاز كرد. سپس آنها با استفاده از میكروسكوپهای اشعه ایكس بسیار قوی این نمونههای آنزیمی را بررسی كرده و از اتمهایشان تصویربرداری كردند. دانشمندان سرانجام توانستند ساختار آنزیم را ببینند. این آنزیم شبیه آنزیم كوتیناز است. كوتیناز نوعی پلیمر مومی و شبیه روكش بسیاری از گیاهان است.
مهندسی زیستی در آزمایشگاه
آنزیم پتاز نیز ظاهری شبیه كوتیناز دارد و هر دو U شكل هستند. آنزیم كوتیناز ابتدا طوری تكامل یافته بود كه كوتین (ماده جلامانندی كه روی پوست گیاهان خاكزی را میپوشاند) را مصرف كند اما بعدها كه در برابر زبالههای متعددی قرار گرفت، غذای محبوب جدیدی پیدا كرد. محققان تصمیم گرفتند كوتیناز را (به دلیل شباهت بسیاری كه به پتاز داشت) به نوعی پتاز و علاقهمند به مصرف پلیمر تبدیل كنند.
آنها ابتدا ساختار دیانای پتاز را دستكاری كرده و دو نوع اسید آمینه را تغییر دادند و آنزیمی تولید كردند كه بسیار شبیه كوتیناز بود. سپس با استفاده از دستگاه پانچ اداری، تكههای كوچك گرد پانچ شدهای از بطریهای پلاستیكی آماده كردند. آنها این مواد پلاستیكی را كنار آنزیم جدیدشان قرار دادند و پس از چهار روز متوجه شدند، این آنزیم اشتهای زیادی برای خوردن پلاستیك دارد.
میكروارگانیسمهای پلاستیكخوار
در بررسیها مشخص شد، باكتری Ideonella sakaiensis، تنها موجود زندهای نیست كه میتواند زبالههای پلاستیكی را مصرف كند؛ بلكه برخی از آنزیمها، مانند استراز چند دهه است شناخته شدهاند و میتوانند پلیاتیلن ترفتالات و نایلون را تجزیه كنند. مثلا برخی از ارگانیسمهایی كه در دریاچه زوریخ زندگی میكنند، میتوانند پلیاورتان را مصرف كنند و گونهای از باكتری در اقیانوس كشف شده كه میتواند پلیوینیل الكل را تجزیه كند. گروه دیگری از محققان، نوعی قارچ پیدا كردهاند كه كوتیناز آنها میتواند پلیاتیلن ترفتالات را هم تجزیه كند.
البته هیچ كدام از موارد بالا آنقدر سرعت ندارد كه مناسب سیستم بازیافت حجم بالای پلاستیك امروزی باشد. در واقع برای تجزیه ۳۰۰میلیون تن پلاستیكی كه هر سال به زبالههای پلاستیكی اضافه میشود، باید ۹۰۶۹تن از این ارگانیسمها هر روز مشغول خوردن باشند تا كار بازیافت بهخوبی انجام شود.
از طرفی محققان دریافتند باكتریها در محیطی بسیار داغ، سریعتر عمل میكنند. اگر دانشمندان بتوانند نوعی باكتری را بیابند كه در شرایط سخت محیطی زندگی میكند یا خودشان این نوع باكتری را مهندسی كنند كه پلیاتیلن ترفتالات را در محیط داغ دوست داشته باشد و بخورد، قدم دیگری به فرآیند تجزیه سریعتر مواد پلاستیكی به وسیله باكتریها نزدیكتر میشوند. در چنین سیستم بازیافتی باید دما را بسیار بالا برد و سپس پتاز یا آنزیمهای گرسنه دیگر را به مواد پلاستیكی اضافه كرد. با این روش میتوان مواد پلاستیكی را به مواد پلیمری دیگری مانند ترفتالیك اسید (Terephthalic Acid) و اتیلن گلیكول (Ethylene Glycol) تبدیل كرد كه بسیار باارزش و نیرومندتر است.
محققان به آنزیم بهتری برای تولید چنین سیستم بازیافتی نیاز دارند. آنها میخواهند به نوعی باكتری كه مانند باكتری Ideonella sakaiensis، مشكلپسند نباشد، ژن آنزیم پتاز را تزریق كنند و اشتهای خوردن پلاستیك را در آنها بالا ببرند. البته در این زمینه به موفقیتهایی دست یافتهاند. آنها نوعی آنزیم پلاستیكخوار به نام كرپ (Crap) با استفاده از جهش ژنتیكی تولید كردند. البته این آنزیم در آزمایشگاه فعال است و هنوز آنقدر توسعه نیافته كه وارد فرآیندهای صنعتی شود.
البته برخی بر این باورند اگر این نوع باكتری از كنترل خارج شود، ممكن است شروع به خوردن هر نوع مواد پلاستیكی كند و انسان را به دردسر اندازد. اما این محققان میگویند، این نوع باكتری همیشه وجود داشته است. مثلا باكتریهایی وجود دارند كه مواد مورد علاقه ما مانند فلزات، پنیر، نان و حتی پوست بدنمان را میخورند. بنابراین باید بدانیم میكروارگانیسمها و میكروبها هنوز به حدی نرسیدهاند كه بتوانند ما را كنترل كنند.
این محققان بر این باورند كه در آیندهای نهچندان دور سیستم بازیافت زیستی میتواند سرانجام معضل زبالههای پلاستیكی را حل كند.
منبع: Popular science