Οι υποσχέσεις και τα προβλήματα χρήσης βακτηρίων για να απαλλαγείτε από το πλαστικό

Κατά τη διάρκεια του χρόνου της σε ένα εργαστήριο ανακάλυψης φαρμάκων, ο δομικός βιολόγος Kavyashree Manjunath άρχισε να σκέφτεται για το πόσο πλαστικό χρησιμοποίησε η ομάδα της, ακόμη και για ένα μόνο πείραμα. Από τις μικρότερες συμβουλές που χρησιμοποιούνται για να σχεδιάσουν λύσεις σε πιπέτες, μπουκάλια και πολλά άλλα-τα πλαστικά απόβλητα από το εργαστήριό της μόνο ήταν αρκετές για να σοκάρει τον μέσο όρο του επιστήμονα φιλικού προς το περιβάλλον. Αν σταμάτησαν να το σκεφτούν όπως είχε.

Μία ελαφρώς παρηγορητική σκέψη είναι ότι το πλαστικό ανακυκλώνεται. Αλλά ο Manjunath διαπίστωσε ότι αυτό δεν συμβαίνει πάντα. “Σε περίοδο 65 ετών, από τότε που ξεκίνησε η παραγωγή πλαστικής μεγάλης κλίμακας, έχει παραχθεί σχεδόν 8,3 δισεκατομμύρια τόνοι πλαστικών”, ανέφερε, αναφέροντας το 2017 Επιστημονική πρόοδος μελέτη. “Από αυτό, λιγότερο από 10% μόνο ανακυκλώνεται. Σχεδόν 4,9 δισεκατομμύρια τόνοι υπάρχουν στο περιβάλλον, σε κάποια μορφή ή άλλο. “

Στα δικά τους πεδία

Οι τεράστιες ποσότητες πλαστικών που βρίσκονται γύρω από τον πνιγμό μας πλανήτη οδήγησαν πολλούς βιολόγους να αναζητήσουν βιώσιμες λύσεις στους δικούς τους τομείς. Μερικοί από αυτούς εργάζονται σε βακτηρίδια που μπορούν να μασήσουν πλαστικά. Άλλοι εργάζονται απευθείας με ένζυμα που μπορούν να καθαρίσουν τα απόβλητα. Πολλοί επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένου του Manjunath, έχουν μετατραπεί σε επιχειρηματίες, ξεκινώντας τις εταιρείες να χρησιμοποιούν τις λύσεις τους σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Αλλά το πεδίο εξακολουθεί να είναι πολύ εκκολαπτόμενο, με τα περισσότερα εργαστήρια και εταιρείες που βρίσκονται ακόμα στην πρώιμη διαδικασία ανακάλυψης. Η βιοαποικοδόμηση των τόνων του πλαστικού που έχουμε δημιουργήσει – και θα δημιουργήσει τα επόμενα χρόνια – είναι ο στόχος. Αλλά όπως και τα περισσότερα πράγματα στην επιστήμη, η πορεία προς την επιτυχία είναι μακρά και επίπονη. Πόσο καιρό οι μέθοδοι παίρνουν για να υποβαθμίσουν το πλαστικό και τα είδη πλαστικών που μπορούν να δράσουν για να παραμείνουν μερικά από τα σημαντικότερα σημεία συμφόρησης για να περάσουν.

Με την προηγούμενη εργασία, ο Manjunath ανακάλυψε ότι υπάρχουν φυσικά ένζυμα που μπορούν να σπάσουν το εξαιρετικά άφθονο τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET), έναν πολυεστέρα που βρίσκεται σε πολλά είδη πλαστικών αντικειμένων. Δεδομένου ότι ο Kohei Oda και η ομάδα του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Κιότο ανακάλυψαν για πρώτη φορά το βακτήριο Ideonella sakaiensisη οποία σπάει το PET με τη χρήση δύο ενζύμων, πολλαπλές ομάδες έχουν εργαστεί στην απομόνωση και τη βελτίωση αυτών των ενζύμων για να προσπαθήσουν και να υποβαθμίσουν αποτελεσματικά το πλαστικό.

Αλλά τα περισσότερα από αυτά τα φυσικά ένζυμα χρειάζονται αρκετούς μήνες έως χρόνια για να εργαστούν. “Σκέφτηκα,” Μπορούν αυτά τα ένζυμα να κατασκευαστούν για να σπάσουν το κατοικίδιο ζώο πολύ πιο γρήγορα, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλη κλίμακα στον κλάδο; “, δήλωσε ο Manjunath.

Για να αναπτύξει αυτά τα ένζυμα, ίδρυσε τις βιολυσμήσεις της Apratima, μια εκκίνηση που επωάστηκε στο Κέντρο για κυτταρικές και μοριακές πλατφόρμες (CCAMP), Bengaluru. Ένα ένζυμο που ανέπτυξαν μπορεί να σπάσει το 90% των αποβλήτων PET σε 17 ώρες, σε προϊόντα όπως το τερεφθαλικό οξύ και το αιθυλενογλυκόλη, τα οποία μπορούν να καθαριστούν και να χρησιμοποιηθούν και πάλι.

Αυτή και η ομάδα της εργάζονται τώρα για να κάνουν τα ένζυμα ακόμα πιο γρήγορα και φθηνότερα. Μόλις η τεχνολογία είναι έτοιμη, το σχέδιό της είναι να συνεργαστεί με τη βιομηχανία ανακύκλωσης κατοικίδιων ζώων για να την βοηθήσει. “Το κύριο πράγμα είναι η ταχύτητα, γιατί αν χρειάζονται περίπου 10 ημέρες ή κάτι τέτοιο, δεν είναι εφικτό, έτσι;”

«Πραγματικά γοητευμένος»

Η υποβάθμιση των αποβλήτων κατοικίδιων ζώων το συντομότερο δυνατό είναι ένα μέρος του προβλήματος. Υπάρχουν πολλά άλλα είδη προβληματικών πλαστικών εκεί έξω. Μερικοί επιστήμονες χρησιμοποιούν μικρόβια για να υποβαθμίσουν άμεσα το πλαστικό. Αυτές οι μέθοδοι είναι πιο αργές, αλλά, ανάλογα με την ευελιξία των μικροβίων, μπορούν να προσφέρουν κάποια πλεονεκτήματα.

Η Sukanya Punthambaker και η Vaskar Gnyawali, πρώην ερευνητές στο Ινστιτούτο Wyss στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και συνιδρυτές και Διευθύνων Σύμβουλος και Επικεφαλής Επιστημονικός Διευθυντής της Breaking Inc., ανέπτυξαν μια τέτοια προσέγγιση. Ανακάλυψαν ένα βακτήριο που ονομάζεται X-32 που υποβαθμίζει το PET καθώς και τις πολυολεφίνες, που βρίσκονται σε ορισμένα υλικά συσκευασίας και πολυαμίδια όπως το νάιλον.

“Οι πολυολεφίνες έχουν έναν από τους πιο σκληρούς δεσμούς άνθρακα-άνθρακα για να σπάσουν, οπότε είμαστε πραγματικά γοητευμένοι που αυτό το μικρό μικρόβιο μπορεί να κάνει και τους τρεις μεγάλους πλαστικούς τύπους”, δήλωσε ο Punthambaker.

Από τώρα, παίρνει το μικρόβιο 22 μήνες για να μειώσει αυτές τις μορφές πλαστικού σε διοξείδιο του άνθρακα, νερό και βιομάζα. Αυτή τη στιγμή εργάζονται για να υπολογίσουν τα ένζυμα που εμπλέκονται, ώστε να μπορούν να τα απομονώσουν και να επεξεργαστούν τα γονίδιά τους με τρόπο να βελτιώσουν την ταχύτητα και την αποτελεσματικότητά τους.

Σχεδιάζουν επίσης να δοκιμάσουν εάν το μικρό του μικρόβιο μπορεί να κλιμακωθεί για χρήση σε βιομηχανικό επίπεδο.

Η βιολογική προσέγγιση

Εκτός από τις εταιρείες, οι ακαδημαϊκοί ερευνητές βρίσκουν επίσης βιολογικές λύσεις για να απαλλαγούν από το πλαστικό. Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας Σαν Ντιέγκο Νερα -Μανηργανισμός Ο καθηγητής Jon Pokorski είναι ένας από αυτούς. Μελετά τρόπους για να κάνει βιοδιασπώμενο πλαστικό από το μηδέν. Πρόσφατα ανέφερε μια μέθοδο για την κατασκευή θερμοπλαστικής πολυουρεθάνης (TPU), ενός εμπορικού πλαστικού που βρίσκεται στον αφρό μνήμης, τα υποδήματα και τα στρώματα ποδιών, αλλά εγχύθηκε με βακτηριακά σπόρια ανθεκτικά στη θερμότητα.

Ο Pokorski και η ομάδα του εξελίχθηκαν για πρώτη φορά ανθεκτικά στη θερμότητα σπόρια, κατασκευασμένα από Μπακίλλος βακτήρια, στο εργαστήριο. Στη συνέχεια ενσωμάτωσαν τα σπόρια στο πλαστικό. Τα σπόρια μπορούν να επιβιώσουν στις υψηλές θερμοκρασίες της πλαστικής παραγωγής και να παραμείνουν αδρανείς σε κανονικές συνθήκες. Αλλά μόλις το πλαστικό βρίσκεται σε ένα λίπασμα, τα σπόρια γίνονται ενεργά και αρχίζουν να τρώνε. Με βάση τα ευρήματά τους, τα βακτήρια χρειάστηκαν περίπου πέντε μήνες για να υποβαθμίσουν το 90% των λωρίδων της TPU όταν ήταν σε ένα υγρό περιβάλλον πλούσιου σε θρεπτικά συστατικά ιδανικό για την ενεργοποίησή τους.

Ο μεγαλύτερος χρόνος μπορεί να είναι ένα συμβιβασμό, αλλά ο Pokorski πιστεύει ότι χρησιμοποιεί την προσέγγιση ζωντανών βακτηρίων για την υποβάθμιση του πλαστικού είναι πιο επιδεκτική για την κλιμάκωση από τη χρήση καθαρών ενζύμων.

“Ο καθαρισμός ενός ενζύμου είναι μια μεγάλη πρόκληση, ειδικά καθαρισμός αρκετά για να ικανοποιήσει το πρόβλημα των εκατομμυρίων τόνων πλαστικών κάθε χρόνο”, δήλωσε ο Pokorski. “Θα υποστήριζα ότι η λύση μας είναι μια πολύ πιο βιώσιμη λύση για την κλιμάκωση. Επειδή δεν βασίζεστε σε ένα μόνο ένζυμο για να εκτελέσετε τη λειτουργία του. Βασίζεστε σε κάτι που θα αναπαράγει. “

Επί του παρόντος, στην ακαδημαϊκή εργαστηριακή κλίμακα που έχουν δοκιμάσει, χρειάζονταν πολύ μικρές ποσότητες σπόρων για περίπου ένα χιλιόγραμμο πλαστικού και προσθέτοντας τα σπόρια βελτίωσαν και τις μηχανικές ιδιότητες του πλαστικού.

“Όπως το οπλισμό ενισχύει το σκυρόδεμα, τα σπόρια χρησιμεύουν ως ενισχυτικό πρόσθετο στο πολυμερές”, εξήγησε ο Pokorski. “Ιδανικά το πλαστικό είτε θα διαρκέσει περισσότερο είτε θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε λιγότερο πλαστικό επειδή είναι ένα καλύτερο προϊόν.”

Ωστόσο, πιστεύει ότι η αποδοχή των καταναλωτών θα μπορούσε να είναι μια πρόκληση. “Δεν ξέρω πώς θα αισθανόταν οι ρυθμιστικοί οργανισμοί για τα βακτηρίδια στα πλαστικά”, είπε. “Τα βακτηρίδια που χρησιμοποιούνται είναι αρκετά αβλαβή, αλλά ποτέ δεν ξέρεις, έτσι;”

Το βήμα περιορισμού των επιτοκίων

Ένα άλλο πλεονέκτημα της χρήσης βακτηρίων για να σπάσει το πλαστικό, σύμφωνα με τον βιομοριακό μηχανικό Nathan Crook, είναι ότι μπορεί κανείς να τους εξελίξει για να γίνει πιο αποτελεσματική. Στο κρατικό πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας, ο Crook ανακάλυψε έναν τρόπο να επισυνάψει τα δύο προηγουμένως ανακαλυφθέντα ένζυμα αποθάρρυνσης κατοικίδιων ζώων στην επιφάνεια ενός πολύ ταχέως αναπτυσσόμενου βακτηρίου που ονομάζονται Vibrio natriegens και να το χρησιμοποιήσετε για να φάτε πλαστικό καθώς θα έτρωγε οποιαδήποτε άλλη πηγή άνθρακα. Τώρα εργάζονται για την εξέλιξή τους στο εργαστήριο με τρόπο που μπορεί να σπάσει τα πλαστικά πιο γρήγορα.

“Τα ένζυμα που διασπούν το πλαστικό είναι το βήμα περιορισμού του ρυθμού”, δήλωσε ο Crook. “Εάν έχετε έναν οργανισμό όπου ο μόνος τρόπος που μπορεί να επιβιώσει είναι να σπάσει το πλαστικό, θα βρει έναν τρόπο να μεταλλαχτεί το ένζυμο του, ώστε να είναι πραγματικά καλοί στο να σπάσουν το πλαστικό”.

Αλλά ο Manjunath, ο οποίος συνεργάζεται με ένζυμα, σκέφτεται ότι η κλιμάκωση τους δεν αποτελεί πρόβλημα. “Υπάρχουν πολλές βιομηχανίες ζύμωσης που μπορούν να παράγουν το ένζυμο σε μεγάλες ποσότητες”, ανέφερε. Οι προκλήσεις που προβλέπει είναι αν το ένζυμο μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί και η ποσότητα φόρτωσης αποβλήτων κατοικίδιων ζώων που θα χρειαστεί να βελτιστοποιήσουν.

“Για παράδειγμα, αν έχετε αντιδραστήρα 10 λίτρων, πόσα απόβλητα κατοικίδιων ζώων μπορείτε να φορτώσετε σε αυτό;” ρώτησε. “Επειδή όσο λιγότερο φορτώνετε, τόσο πιο ακριβό γίνεται, έτσι πρέπει να βεβαιωθείτε ότι η τεχνολογία είναι σε θέση να χειριστεί μεγάλες ποσότητες αποβλήτων κατοικίδιων ζώων σε δεδομένη χρονική στιγμή”.

Μια άλλη σημαντική πρόκληση είναι να βεβαιωθείτε ότι τα ένζυμα μπορούν να υποβαθμίσουν διαφορετικά είδη αποβλήτων κατοικίδιων ζώων – ακόμη και την εξαιρετικά κρυσταλλική ποικιλία. Τα περισσότερα ένζυμα που χρησιμοποιούνται τώρα στοχεύουν κατοικίδια ζώα που χρησιμοποιούνται σε υλικά συσκευασίας, αλλά όχι αυτά που βρίσκονται στα ενοχλητικά πλαστικά μπουκάλια.

«Δείτε το πλαστικό που έχει φύγει»

Παρά τις προκλήσεις της, ορισμένοι κορυφαίοι επιστήμονες και εταιρείες εξακολουθούν να προτιμούν την προσέγγιση του ενζύμου. Ο Greg Beckhamm, ανώτερος ερευνητής στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στις ΗΠΑ και η ομάδα του εργάστηκαν για τη βελτίωση ενός από τα ένζυμα που θα αποθάρρυναν κατοικίδια ζώα, έτσι ώστε να μπορεί επίσης να υποβαθμίσει το κρυσταλλικό κατοικίδιο ζώο σε μπουκάλια νερού.

Η Carbios, μια γαλλική εταιρεία που είναι ένας από τους γίγαντες της επιχείρησης που αποικοδομούν πλαστικά, έχουν επίσης σχεδιάσει ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό και σταθερό ενζυμικό με κατοικίδιο ζώο. Η θέρμανση του πλαστικού διευκολύνει την υποβαθμισμένη, οπότε η εταιρεία εργάστηκε για να κάνει τα ένζυμα σταθερά για να αυξήσουν την ταχύτητα δράσης της.

Σύμφωνα με το 2020 Φύση Χαρτί, το ένζυμο τους διαρκεί 10 ώρες για να υποβαθμίσει το 90% των αποβλήτων κατοικίδιων ζώων. Τα σπασμένα εξαρτήματα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως πρώτες ύλες για φρέσκα μπουκάλια, οδηγώντας σε κυκλική οικονομία κατοικίδιων ζώων. Σχεδιάζουν τώρα την οικοδόμηση ενός μεγάλου εργοστασίου ανακύκλωσης κατοικίδιων ζώων για την υποβάθμιση του πλαστικού σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα, αλλά το έχουν αναβάλει τώρα λόγω καθυστέρησης στη χρηματοδότηση.

“Χρειάζεται χρόνος γιατί αυτή είναι μια πολύ νέα τεχνολογία σε αυτόν τον συγκεκριμένο τομέα, σωστά;” είπε ο Manjunath. “Αλλά νομίζω ότι αυτά τα είδη λύσεων είναι πολύ απαραίτητα.”

Σύμφωνα με τον Crook, δεν χρειάζεται μόνο μια εταιρεία που κάνει τη δουλειά να εκκαθαρίσει το πλαστικό που ρυπαίνει το περιβάλλον. “Ίσως υπάρχει ένα μη κερδοσκοπικό που παίρνει αυτό το πράγμα και προσπαθεί να καθαρίσει τα πράγματα ή μια κυβερνητική οργάνωση που κάνει αυτό με απώλεια, επειδή είναι τόσο ακριβό να καθαρίσετε όλο το πλαστικό”, δήλωσε.

“Θέλω να δω το πλαστικό να πάει με κάποιο τρόπο. Ίσως είναι το (βακτηριακό) στέλεχος ή κάποιος άλλος. Προς το παρόν, είμαστε ανοιχτοί σε διάφορα πράγματα. “

Ο Rohini Subrahmanyam είναι ανεξάρτητος δημοσιογράφος στο Μπανγκαλόρ.