آنزیم‌های پلاستیک‌خوار، آلودگی پلاستیکی را دور می‌زنند

به گزارش راسخون؛ آلودگی پلاستیک به یکی از مهم‌ترین مشکلات زیست‌ محیطی سراسر دنیا تبدیل شده است. افزایش محصولات پلاستیکی شرایط را به حدی پیچیده کرده که با فناوری امروز نمی‌توان از عهده کنترل آن برآمد. در ضمن این آلودگی در کشورهایی که سیستم بازیافت مناسب یا کارآمد ندارند، بیشتر خود را نشان می‌دهد. از طرفی تولید بالای این محصولات در کشورهای پیشرفته هم به معضلی تبدیل شده است. ایران ما هم گرفتار آلودگی پلاستیک است. بنابه گزارش سال گذشته اقتصاد آنلاین و به نقل از ایسنا، ایران سالانه حدود ۱۸۵ هزار تن پلاستیک تولید می‌کند که به گفته فاطمه اکبرپور، کارشناس پسماند اداره محیط زیست، مقدار بازیافت این زباله‌های پلاستیکی کمتر از یک درصد است. همچنین نام ایران بین ده کشور نخست پرمصرف ظروف یکبار مصرف پلاستیکی دیده می‌شود. از آنجا ‌که آلودگی پلاستیک، سلامت انسان، حیات وحش و به طور کلی 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 که در این زمینه فعالیت می‌کنند، امیدوارند در آینده‌ای نه چندان دور سیستم بازیافتی بنا کنند که بتوان با خیالی آسوده از محصولات پلاستیکی استفاده کرد.

کریستوفر جانسون، محققی از آزمایشگاه انرژی‌های تجدیدپذیر ملی در کلرادوی آمریکا، به همراه گروه تحقیقاتی‌اش، آنزیمی زیستی تولید کرده‌اند که می‌تواند هر نوع پلاستیک دور ریخته‌شده، مانند بطری‌های پلاستیکی و ظروف مواد شوینده را نابود کند.

این محققان امیدوارند بتوانند با استفاده از این آنزیم، دنیایی را مهندسی کنند که در آن بتوان بدون نگرانی، محصولات پلاستیکی را استفاده کرد. در چنین دنیایی، سیستم‌های بازیافت آنقدر توانمند هستند که با کمک میکروارگانیسم‌ها، پلیمرها را به مواد شیمیایی تشکیل‌دهنده‌شان تجزیه کنند و سپس با استفاده از این مواد شیمیایی، محصولات جدیدی تولید شود.

در سیستم‌های بازیافت فعلی، تنها کاری که می‌توان انجام داد، خردکردن پلاستیک‌ها به اجزای بسیار ریز است. سپس سازندگان از این مواد خرد شده برای تولید محصولات پلاستیکی جدیدی که کیفیت پایین‌تری دارند، استفاده می‌کنند.

اما در سیستم بازیافت زیستی، ارگانیسم‌های پلاستیک‌خوار پس از تجزیه پلاستیک‌ها، بلوک‌های ساختمانی جدیدی تولید می‌کنند که با آنها می‌توان محصول جدیدی تولید کرد.

از لحاظ تاریخی جالب است بدانید زمانی پلاستیک برای نجات جان فیل‌هایی تولید شد که برای بریدن عاج شکار می‌شدند. اما اکنون تولید حجم بالای این محصول، جان انسان و سلامت محیط زیست و بسیاری از گونه‌های جانوری خشکی و دریایی را به خطر انداخته است. اکنون سالانه بیش از ۳۰۰میلیون تن زباله پلاستیکی تولید می‌شود.

متاسفانه ما از پلیمرهای امروزی به شکل ظروف و پلاستیک‌های یک‌بار مصرف استفاده می‌کنیم و هر سال تقریبا ۹ میلیون تن زباله پلاستیکی راه خود را به سواحل دریاها باز می‌کنند. احتمالا باید از چرخاب زباله اقیانوس آرام چیزی شنیده باشید. نیمه شمالی اقیانوس آرام پر از زباله‌های پلاستیکی است که 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، پلاستیک وجود داشته باشد!

جانسون و تیم تحقیقاتی‌اش به دنبال روشی هستند که بلوک‌های ساختمانی پلاستیک‌ها را تغییر داده و آنها را به محصولات بهتری مانند قطعات خودرو، توربین‌های بادی و ... تبدیل کنند. آنها به دنبال روش جدیدی برای بازیافت زباله‌های پلاستیکی هستند.

کشف تصادفی نوعی آنزیم پلیمرخوار

جانسون و تیم تحقیقاتی‌اش با محققانی دیگر از فلوریدا، انگلستان و برزیل، شروع به تحقیق و بررسی برای تولید سیستم کارآمد بازیافت زیستی زباله‌های پلاستیکی کردند. آنها در تلاشند بفهمند چگونه می‌توان اشتهای باکتری‌های پلاستیک‌خوار را از طریق مهندسی ژنتیک افزایش داد. یکی از اهداف آنها بهبود آنزیم‌هایی است که سلولزها را مصرف کرده و به قند تبدیل کنند.

محققان ژاپنی، سال 1395/ ۲۰۱۶ نوعی باکتری در نمونه خاک‌های نزدیک کارخانه بازیافت بطری پیدا کردند که می‌توانست پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) را بخورد؛ ماده‌ای که سازندگان بطری و ظروف پلاستیکی از آن بسیار استفاده می‌کنند.

یکی از محققان دانشگاه کیئو در ژاپن متوجه شد این باکتری از خود، آنزیمی ترشح می‌کند که می‌تواند پلیمرها را به مواد شیمیایی سازنده‌اش تبدیل کند. آنها این باکتری حیرت‌انگیز را Ideonella sakaiensis نامیدند. اما متاسفانه این باکتری خیلی سریع عمل نمی‌کند. مثلا در مدت شش هفته فقط می‌تواند یک لایه نازک از PET را مصرف کند. این روند مناسب سیستم بازیافت نیست. در ضمن، رشد این نوع باکتری‌ها هم به دقت بسیاری نیاز دارد.

سپس محققان برای درک بهتر باکتری‌های خورنده پلی‌اتیلن ترفتالات و آنزیم‌های آنها (پتاز)، شروع به ترسیم ساختارهای ریزآنزیم‌ها کردند تا روشی بیابند که این باکتری‌ها، پلی‌اتیلن ترفتالات را بهتر و سریع‌تر مصرف کرده و هضم کنند. سپس با کمک محققان دیگر که در این زمینه فعالیت می‌کردند، توانستند مدل‌های پیچیده رایانه‌ای و روش کار مواد شیمیایی سلولزی را شبیه‌سازی کنند و به شکلی هدفمند به بررسی‌های خود ادامه دهند.

مولکول‌های پلیمر مانند آجرهای لگو هستند که به راحتی می‌توان آنها را از هم جدا کرد و باکتری‌های خورنده پلی‌اتیلن ترفتالات می‌توانند این کار را به خوبی انجام دهند.

اما محققان برای درک فرآیند کار این باکتری‌ها، باید آنزیم پتاز را به اندازه کافی در دسترس داشته باشند. بنابراین آنها ژنی مصنوعی تولید کردند که می‌توانست پتاز بسازد. سپس آن را وارد باکتری ای.کولای کردند. این باکتری، نوعی موجود تک سلولی است که خیلی راحت و سریع در آزمایشگاه رشد می‌کند. محققان کد ژنتیکی این باکتری مسموم‌کننده غذا را که جهش‌یافته بود در آزمایشگاه فعال کردند و آن شروع به تولید آنزیم پتاز کرد. سپس آنها با استفاده از میکروسکوپ‌های اشعه ایکس بسیار قوی این نمونه‌های آنزیمی را بررسی کرده و از اتم‌هایشان تصویربرداری کردند. دانشمندان سرانجام توانستند ساختار آنزیم را ببینند. این آنزیم شبیه آنزیم کوتیناز است. کوتیناز نوعی پلیمر مومی‌ و شبیه روکش بسیاری از گیاهان است.

مهندسی زیستی در آزمایشگاه

آنزیم پتاز نیز ظاهری شبیه کوتیناز دارد و هر دو U شکل هستند. آنزیم کوتیناز ابتدا طوری تکامل یافته بود که کوتین (ماده جلامانندی که روی‌ پوست گیاهان خاک‌زی را می‌پوشاند) را مصرف کند اما بعدها که در برابر زباله‌های متعددی قرار گرفت، غذای محبوب جدیدی پیدا کرد. محققان تصمیم گرفتند کوتیناز را (به دلیل شباهت بسیاری که به پتاز داشت) به نوعی پتاز و علاقه‌مند به مصرف پلیمر تبدیل کنند.

آنها ابتدا ساختار دی‌ان‌ای پتاز را دستکاری کرده و دو نوع اسید آمینه را تغییر دادند و آنزیمی تولید کردند که بسیار شبیه کوتیناز بود. سپس با استفاده از دستگاه پانچ اداری، تکه‌های کوچک گرد پانچ شده‌ای از بطری‌های پلاستیکی آماده کردند. آنها این مواد پلاستیکی را کنار آنزیم جدید‌شان قرار دادند و پس از چهار روز متوجه شدند، این آنزیم اشتهای زیادی برای خوردن پلاستیک دارد.

میکروارگانیسم‌های پلاستیک‌خوار

در بررسی‌ها مشخص شد، باکتری Ideonella sakaiensis، تنها موجود زنده‌ای نیست که می‌تواند زباله‌های پلاستیکی را مصرف کند؛ بلکه برخی از آنزیم‌ها، مانند استراز چند دهه است شناخته شده‌اند و می‌توانند پلی‌اتیلن ترفتالات و نایلون را تجزیه کنند. مثلا برخی از ارگانیسم‌هایی که در دریاچه زوریخ زندگی می‌کنند، می‌توانند پلی‌اورتان را مصرف کنند و گونه‌ای از باکتری در اقیانوس کشف شده که می‌تواند پلی‌وینیل الکل را تجزیه کند. گروه دیگری از محققان، نوعی قارچ پیدا کرده‌اند که کوتیناز آنها می‌تواند پلی‌اتیلن ترفتالات را هم تجزیه کند.

البته هیچ کدام از موارد بالا آنقدر سرعت ندارد که مناسب سیستم بازیافت حجم بالای پلاستیک امروزی باشد. در واقع برای تجزیه ۳۰۰میلیون تن پلاستیکی که هر سال به زباله‌های پلاستیکی اضافه می‌شود، باید ۹۰۶۹تن از این ارگانیسم‌ها هر روز مشغول خوردن باشند تا کار بازیافت به‌خوبی انجام شود.

از طرفی محققان دریافتند باکتری‌ها در محیطی بسیار داغ، سریع‌تر عمل می‌کنند. اگر دانشمندان بتوانند نوعی باکتری را بیابند که در شرایط سخت محیطی زندگی می‌کند یا خودشان این نوع باکتری را مهندسی کنند که پلی‌اتیلن ترفتالات را در محیط داغ دوست داشته باشد و بخورد، قدم دیگری به فرآیند تجزیه سریع‌تر مواد پلاستیکی به وسیله باکتری‌ها نزدیک‌تر می‌شوند. در چنین سیستم بازیافتی باید دما را بسیار بالا برد و سپس پتاز یا آنزیم‌های گرسنه دیگر را به مواد پلاستیکی اضافه کرد. با این روش می‌توان مواد پلاستیکی را به مواد پلیمری دیگری مانند ترفتالیک اسید (Terephthalic Acid) و اتیلن گلیکول (Ethylene Glycol) تبدیل کرد که بسیار باارزش و نیرومندتر است.

محققان به آنزیم بهتری برای تولید چنین سیستم بازیافتی نیاز دارند. آنها می‌خواهند به نوعی باکتری که مانند باکتری Ideonella sakaiensis، مشکل‌پسند نباشد، ژن آنزیم پتاز را تزریق کنند و اشتهای خوردن پلاستیک را در آنها بالا ببرند. البته در این زمینه به موفقیت‌هایی دست یافته‌اند. آنها نوعی آنزیم پلاستیک‌خوار به نام کرپ (Crap) با استفاده از جهش ژنتیکی تولید کردند. البته این آنزیم در آزمایشگاه فعال است و هنوز آنقدر توسعه نیافته که وارد فرآیندهای صنعتی شود.

البته برخی بر این باورند اگر این نوع باکتری از کنترل خارج شود، ممکن است شروع به خوردن هر نوع مواد پلاستیکی کند و انسان را به دردسر اندازد. اما این محققان می‌گویند، این نوع باکتری همیشه وجود داشته است. مثلا باکتری‌هایی وجود دارند که مواد مورد علاقه ما مانند فلزات، پنیر، نان و حتی پوست بدن‌مان را می‌خورند. بنابراین باید بدانیم میکروارگانیسم‌ها و میکروب‌ها هنوز به حدی نرسیده‌اند که بتوانند ما را کنترل کنند.
این محققان بر این باورند که در آینده‌ای نه‌چندان دور سیستم بازیافت زیستی می‌تواند سرانجام معضل زباله‌های پلاستیکی را حل کند.

منبع: جام جم