محققان سوئیسی گونه‌های میکروبی تخریب‌کننده پلاستیک را در منطقه آلپ و قطب شمال شناسایی کردند

یافتن، پرورش و مهندسی زیستی موجوداتی که می توانند پلاستیک را هضم کنند، نه تنها به حذف آلودگی کمک می کند، بلکه اکنون یک تجارت بزرگ است. چندین میکروارگانیسم که می توانند این کار را انجام دهند قبلاً یافت شده اند، اما زمانی که آنزیم های آنها که این امکان را فراهم می کند در مقیاس صنعتی استفاده شوند، معمولاً فقط در دمای بالای 30 درجه سانتیگراد کار می کنند. گرمایش مورد نیاز به این معنی است که کاربردهای صنعتی تا به امروز پرهزینه هستند و کربن خنثی نیستند. اما یک راه حل ممکن برای این مشکل وجود دارد: یافتن میکروب های متخصص سازگار با سرما که آنزیم های آنها در دماهای پایین تر کار می کنند.

دانشمندان مؤسسه فدرال سوئیس WSL می‌دانستند کجا به دنبال چنین میکروارگانیسم‌هایی بگردند: در ارتفاعات بالا در کوه‌های آلپ کشورشان یا در مناطق قطبی. یافته های آنها در منتشر شده است مرزها در میکروبیولوژی.

دکتر جوئل روتی، نویسنده اول، که در حال حاضر دانشمند مهمان در WSL است، گفت: «در اینجا ما نشان می‌دهیم که گونه‌های میکروبی جدید به‌دست‌آمده از «پلاستیسفر» خاک‌های آلپی و قطبی قادر به تجزیه پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر در دمای 15 درجه سانتی‌گراد هستند. این موجودات می توانند به کاهش هزینه ها و بار زیست محیطی فرآیند بازیافت آنزیمی پلاستیک کمک کنند.

روتی و همکارانش از 19 سویه باکتری و 15 قارچ که روی پلاستیک آزادانه یا عمداً مدفون شده (به مدت یک سال در زمین نگهداری می‌شد) در گرینلند، سوالبارد و سوئیس نمونه‌برداری کردند. بیشتر زباله‌های پلاستیکی از Svalbard در طول پروژه قطب شمال سوئیس 2018 جمع‌آوری شده بود، جایی که دانش‌آموزان کار میدانی انجام دادند تا اثرات تغییرات آب و هوایی را از ابتدا مشاهده کنند. خاک سوئیس در قله Muot da Barba Peider (2979 متر) و در دره Val Lavirun، هر دو در کانتون Graubünden جمع آوری شده بود.

دانشمندان اجازه دادند میکروب های جدا شده به صورت کشت های تک سویه در آزمایشگاه در تاریکی و در دمای 15 درجه سانتی گراد رشد کنند و از تکنیک های مولکولی برای شناسایی آنها استفاده کردند. نتایج نشان داد که سویه‌های باکتریایی به 13 جنس در فیلا اکتینوباکتریا و پروتئوباکتریا و قارچ‌ها به 10 جنس در فیلا Ascomycota و Mucoromycota تعلق داشتند.

نتایج شگفت انگیز

آن‌ها سپس از مجموعه‌ای از سنجش‌ها برای غربالگری هر سویه از نظر توانایی آن در هضم نمونه‌های استریل پلی اتیلن غیرقابل تجزیه (PE) و پلی‌استر-پلی‌اورتان زیست تخریب‌پذیر (PUR) و همچنین دو مخلوط زیست تخریب‌پذیر تجاری موجود از پلی‌بوتیلن آدیپات ترفتالات (PBAT) استفاده کردند. و پلی لاکتیک اسید (PLA).

هیچ یک از سویه ها قادر به هضم پلی اتیلن نبودند، حتی پس از 126 روز انکوباسیون روی این پلاستیک ها. اما 19 (56٪) از سویه ها، از جمله 11 قارچ و هشت باکتری، قادر به هضم PUR در 15 درجه سانتیگراد بودند، در حالی که 14 قارچ و سه باکتری قادر به هضم مخلوط پلاستیکی PBAT و PLA بودند. رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) و یک سنجش مبتنی بر فلورسانس تایید کرد که این سویه ها می توانند پلیمرهای PBAT و PLA را به مولکول های کوچکتر خرد کنند.

روتی گفت: «برای ما بسیار شگفت‌آور بود که متوجه شدیم بخش بزرگی از سویه‌های آزمایش‌شده می‌توانند حداقل یکی از پلاستیک‌های آزمایش‌شده را تخریب کنند.»

بهترین عملکرد دو گونه قارچی بدون مشخصه در این جنس بودند نئودوریزیا و لاچنلولا: اینها قادر به هضم تمام پلاستیک های آزمایش شده به جز پلی اتیلن بودند. نتایج همچنین نشان داد که توانایی هضم پلاستیک برای اکثر سویه‌ها به محیط کشت بستگی دارد و هر سویه به هر یک از چهار محیط آزمایش شده واکنش متفاوتی نشان می‌دهد.

اثرات جانبی توانایی هضم پلیمرهای گیاهی

توانایی هضم پلاستیک چگونه تکامل یافت؟ از آنجایی که پلاستیک‌ها تنها از دهه 1950 وجود داشته‌اند، تقریباً مطمئناً توانایی تجزیه پلاستیک ویژگی اصلی انتخاب طبیعی نبوده است.

نشان داده شده است که میکروب ها طیف گسترده ای از آنزیم های تجزیه کننده پلیمر را تولید می کنند که در تجزیه دیواره های سلولی گیاه نقش دارند. به طور خاص، قارچ‌های بیماری‌زای گیاهی اغلب به پلی استرهای تجزیه شده گزارش می‌شوند، زیرا توانایی آن‌ها در تولید کوتینازهایی که پلیمرهای پلاستیکی را هدف قرار می‌دهند، به دلیل شباهت آن‌ها به کوتین پلیمری گیاهی هستند.

دکتر بیت فری، آخرین نویسنده، دانشمند ارشد و رهبر گروه، WSL

چالش ها باقی می ماند

از آنجایی که روتی و همکاران. آنها فقط برای هضم در دمای 15 درجه سانتیگراد آزمایش شده اند، آنها هنوز دمای مطلوبی را که آنزیم های سویه های موفق در آن کار می کنند، نمی دانند.

فری گفت: “اما ما می دانیم که بیشتر سویه های آزمایش شده می توانند بین 4 تا 20 درجه سانتیگراد با دمای بهینه در حدود 15 درجه سانتیگراد رشد کنند.”

چالش بزرگ بعدی شناسایی آنزیم های تجزیه کننده پلاستیک تولید شده توسط سویه های میکروبی و بهینه سازی فرآیند برای به دست آوردن مقادیر زیادی پروتئین است. علاوه بر این، ممکن است برای بهینه‌سازی خواصی مانند پایداری پروتئین، اصلاح بیشتری در آنزیم‌ها مورد نیاز باشد.