Niesamowite właściwości grzybów i bakterii. Rozkładają plastik

Plastik towarzyszy nam wszędzie, od opakowań i butelek po sprzęt medyczny. Jednak tylko 9 proc. z niego podlega recyklingowi, a ogromna większość trafia na wysypiska, do spalarni lub wprost do środowiska. Szukając rozwiązań tego narastającego kryzysu, badacze coraz częściej spoglądają w stronę natury. Okazuje się, że wiele mikroorganizmów potrafi rozkładać syntetyczne polimery, traktując je jako źródło energii.

Jak podkreśla dr Julianne Megaw z Queen's University Belfast, "mikroby wcale nie ewoluowały specjalnie w odpowiedzi na plastikowe odpady. Wykorzystujemy raczej ich istniejące możliwości metaboliczne, które powstały znacznie wcześniej" pisze w portalu The Conversation.

Mechanizm działania mikroorganizmów polega na wytwarzaniu enzymów zdolnych do rozrywania długich łańcuchów węglowych budujących plastiki. To podobny proces, jaki zachodzi przy rozkładzie celulozy czy chityny, czyli naturalnych polimerów obecnych w roślinach, grzybach i owadach. Dzięki temu niektóre bakterie i grzyby mogą "przestawić się" na zupełnie nowe źródło pokarmu.

Najbardziej znanym przykładem jest Ideonella sakaiensis, bakteria odkryta w 2016 r. w pobliżu japońskiej sortowni odpadów. Potrafi ona w pełni degradować politereftalan etylenu (PET), czyli materiał używany do produkcji butelek i opakowań spożywczych. Pod wpływem jej enzymów PET rozpada się na nieszkodliwe związki chemiczne, które mogą być dalej wykorzystywane w łańcuchu pokarmowym mikroorganizmów.

Inne odkrycia pokazują, że nie trzeba ograniczać poszukiwań do wysypisk i miejsc skażonych plastikiem. Zespół dr Megaw opisał dwa szczepy bakterii, Gordonia i Arthrobacter, które w naturalnym torfowisku i kompoście potrafiły rozłożyć odpowiednio 23 proc. polipropylenu i 19,5 proc. polistyrenu w ciągu 28 dni, i to bez żadnych wstępnych zabiegów chemicznych czy termicznych.

Jednym z bardziej medialnych przykładów jest historia barciaków (Galleria mellonella), czyli larw ćmy uważanej za szkodnika w pasiekach. Żywią się one woskowym plastrem, którego struktura chemicznie przypomina polietylen. Okazało się, że dzięki mikroorganizmom bytującym w ich przewodzie pokarmowym woskówki potrafią trawić również plastikowe reklamówki.

Choć trudno sobie wyobrazić przemysłowe farmy larw przetwarzających odpady, badania tego typu wskazują, że kluczem mogą być symbiotyczne związki między zwierzętami a ich mikrobiomem. To właśnie mikroby w układzie pokarmowym owadów odpowiadają za rozkład długich łańcuchów węglowych.

Zainteresowanie budzi także możliwość inżynierii genetycznej, na przykład przenoszenia genów kodujących enzymy degradujące plastiki do bakterii łatwych w hodowli i kontrolowanych w warunkach przemysłowych.

Każdego roku na świecie produkuje się ponad 460 mln ton plastiku, z czego połowa to produkty jednorazowe. Globalne systemy gospodarki odpadami nie nadążają z ich utylizacją. Około 50 proc. tworzyw trafia na składowiska, 20 proc. jest spalane, a kolejne 20 proc. pozostaje poza jakąkolwiek kontrolą.

"To oznacza, że ogromne ilości plastiku trafiają do rzek, jezior i oceanów, gdzie rozpadają się na mikroplastik i mogą krążyć przez stulecia" - wyjaśnia dr Megaw. Badania nad skutkami zdrowotnymi wskazują, że cząstki te mogą gromadzić się w tkankach organizmów, wywoływać stany zapalne, a nawet zaburzać gospodarkę hormonalną.

Dlatego ONZ prowadzi negocjacje nad globalnym traktatem plastikowym, który ma doprowadzić do zamknięcia obiegu tworzyw i zakończenia ich zanieczyszczania środowiska do 2040 r. Nawet jednak najbardziej ambitne regulacje nie rozwiążą problemu zalegających już odpadów. Tutaj właśnie pojawia się rola mikroorganizmów.

W najnowszych badaniach, opublikowanych w Proceedings of the Royal Society B, naukowcy zidentyfikowali ponad 400 gatunków grzybów zdolnych do degradacji tworzyw sztucznych. Analizy wykazały, że wiele z nich może rozkładać poliuretany czy polietylen, czyli jedne z najbardziej rozpowszechnionych i najtrudniejszych w utylizacji materiałów.

Grzyby, podobnie jak bakterie, wykorzystują enzymy - w tym oksydazy i peroksydazy - które utleniają wiązania chemiczne w polimerach, osłabiając ich strukturę i ułatwiając dalszy rozkład. Co istotne, wiele szczepów działa skutecznie w warunkach środowiskowych, bez konieczności specjalistycznego przygotowania próbek plastiku.

Badacze podkreślają, że ekosystemy takie jak lasy tropikalne, torfowiska czy gleby bogate w materię organiczną mogą kryć niewyczerpane źródła mikroorganizmów o potencjale biodegradacyjnym.

Wdrożenie mikrobów i grzybów do wykorzystania w skali przemysłowej wymaga jednak pokonania wielu barier. Najważniejsze to powolne tempo degradacji, trudności w utrzymaniu stabilnych populacji mikroorganizmów oraz ryzyko niepożądanych efektów ubocznych w środowisku.

Naukowcy pracują nad optymalizacją warunków, od temperatury i wilgotności po dobór pożywek, aby zwiększyć wydajność procesów. Obiecujące są także badania nad modyfikacją genetyczną, która może pozwolić na "przeprogramowanie" enzymów do skuteczniejszego cięcia wiązań chemicznych w tworzywach.

"Postęp w inżynierii enzymów i mikrobiologii środowiskowej daje nam realną szansę na opracowanie systemów biodegradacji plastiku, które będą skalowalne i ekonomicznie opłacalne" - podkreśla dr Megaw.

Żaden pojedynczy sposób nie rozwiąże globalnego kryzysu plastiku. Eksperci są zgodni, że potrzebna jest kombinacja działań: redukcja produkcji jednorazowych tworzyw, rozwój recyklingu chemicznego, zastępowanie plastiku alternatywnymi materiałami i właśnie wykorzystanie mikroorganizmów.

To podejście "wielu narzędzi" daje największą szansę na zatrzymanie narastającej fali odpadów. Mikroby mogą odegrać szczególną rolę w miejscach, gdzie inne technologie zawodzą, np. w glebie, osadach rzecznych czy trudno dostępnych wysypiskach.

Badania nad mikrobami rozkładającymi plastik pokazują też coś jeszcze: zdolności ewolucyjne życia na Ziemi są znacznie szersze, niż dotąd sądziliśmy. To, że organizmy potrafią dostosować swoje mechanizmy metaboliczne do zupełnie nowych związków chemicznych, daje nadzieję na kolejne niespodzianki.