به گزارش اطلاعات آنلاین به نقل از scitechdaily، آلودگی پلاستیک یکی از پایدارترین مشکلات زیست‌محیطی جهان است. مقادیر زیادی پلاستیک دور ریخته شده در اقیانوس‌ها انباشته می‌شوند و گاهی اوقات توده‌های عظیم زباله را تشکیل می‌دهند که حیات دریایی را تهدید می‌کنند. اکثر پلاستیک‌های معمولی به دلیل اینکه میکروارگانیسم‌ها برای هضم پلیمرهای مصنوعی که از آنها ساخته شده‌اند، تلاش می‌کنند، بسیار کند تجزیه می‌شوند. این مواد به جای ناپدید شدن، به تدریج به ذرات کوچکتر از جمله میکروپلاستیک‌ها و نانوپلاستیک‌ها، تقسیم می‌شوند.
با این حال، زباله‌های پلاستیکی کاملاً از دسترس طبیعت خارج نیستند. باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها می‌توانند سطوح آن را استعمار کنند و جوامعی به نام بیوفیلم‌ها تشکیل دهند. این جوامع یک اکوسیستم میکروبی متمایز ایجاد می‌کنند که دانشمندان آن را "پلاستیسفر" می‌نامند.
چندین پلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر در عرض حدود یک سال به طور کامل در خاک تجزیه می‌شوند؛ در حالی که پلاستیک معمولی تا حد زیادی بدون تغییر باقی می‌ماند.
محققان دانشگاه کنستانس اکنون یک آنزیم غیرمعمول کشف کرده‌اند که می‌تواند نشان دهد چگونه برخی از باکتری‌ها برای تجزیه انواع خاصی از پلاستیک مجهزتر می‌شوند. این آنزیم می‌تواند پلی‌استرهای خاص و پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر را هضم کند، اما توانایی غیرمنتظره دیگری نیز دارد: همچنین می‌تواند پنی‌سیلین را تجزیه کند که نشان‌دهنده ارتباط احتمالی با مقاومت آنتی‌بیوتیکی است.
دانشمندان به آن لقب «آنزیم پک-من» (Pac-Man) داده‌اند، زیرا ساختار مولکولی آن دارای دهانه‌ای بسیار عریض است که واکنش‌های شیمیایی در آن رخ می‌دهند و به عنوان جایگاه فعال شناخته می‌شود. این کشف نشان می‌دهد که باکتری‌ها ممکن است سریع‌تر از آنچه محققان قبلاً تصور می‌کردند، برای هضم برخی مواد پلاستیکی سازگار شوند.
با این حال، یافته‌ها همچنین یک محدودیت مهم را برجسته می‌کنند. برای اینکه میکروارگانیسم‌ها بتوانند تفاوت معناداری در کاهش آلودگی پلاستیک ایجاد کنند، باید محصولات پلاستیکی بیشتری از مواد زیست‌تخریب‌پذیر ساخته شوند که حاوی پیوندهای شیمیایی باشند که میکروب‌ها می‌توانند آنها را تجزیه کنند.
آزمایش چگونگی تجزیه پلاستیک‌های زیستی توسط باکتری‌ها
برای بررسی چگونگی هضم پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر توسط میکروارگانیسم‌ها، «هری لرنر» و «دیوید شلهک»، زیست‌شناسان دانشگاه کنستانس، کل فرآیند تجزیه میکروبی را مطالعه کردند. آنها می‌خواستند نه تنها مشخص کنند که آیا می‌توان مواد را به طور کامل تجزیه کرد، بلکه کدام میکروارگانیسم‌ها مسئول هستند و چه مکانیسم‌های بیولوژیکی به آنها اجازه انجام این کار را می‌دهد.
محققان ترکیب جوامع میکروبی درگیر را بررسی کرده و اطلاعات ژنتیکی جمعی آنها (متاژنوم) را تجزیه و تحلیل کردند. این رویکرد به آنها اجازه داد تا ژن‌هایی را جستجو کنند که ممکن است آنزیم‌هایی تولید کنند که قادر به تجزیه پلیمرهای پلاستیکی باشند.
آزمایش‌های آنها بر روی پلی‌استرهای آلیفاتیک زنجیره بلند متمرکز (LCAP) بود؛ دسته‌ای از مواد پلاستیکی زیست‌تخریب‌پذیر که توسط یک تیم تحقیقاتی به رهبری شیمیدان استفان مکینگ توسعه داده شده است. این مواد حاوی پیوندهای شیمیایی هستند که میکروارگانیسم‌های خاصی می‌توانند آنها را تجزیه کنند؛ برخلاف ساختارهای مقاوم‌تر موجود در بسیاری از پلاستیک‌های معمولی.
برای مشاهده نحوه رفتار بیوپلاستیک‌ها در یک محیط طبیعی، تیم نمونه‌هایی را در زیر سطح خاک جنگل در باغ گیاه‌شناسی دانشگاه قرار داد.
هری لرنر توضیح می‌دهد: "ما قطعات کوچکی از فیلم بیوپلاستیک LCAP را در لایه هوموس بالایی در جنگل باغ گیاه‌شناسی دانشگاه، حدود ده سانتی‌متر عمق، دفن کردیم. این لایه جایی است که تجزیه سلولز و سایر پلیمرهای طبیعی، مانند کوتین - یک پلی‌استر گیاهی - در آن رخ می‌دهد."
هوموس لایه بالایی خاک غنی از مواد آلی در حال تجزیه است؛ جایی که میکروارگانیسم‌ها نقش عمده‌ای در بازیافت مواد مغذی دارند. سلولز جزء ساختاری اصلی دیواره‌های سلولی گیاهان است؛ در حالی که کوتین یک پلی‌استر طبیعی است که به تشکیل پوشش بیرونی محافظ گیاهان کمک می‌کند.
محققان این محیط را انتخاب کردند زیرا میکروارگانیسم‌های آن از قبل دارای ماشین‌آلات بیولوژیکی لازم برای تجزیه مواد طبیعی پیچیده هستند.
پلاستیک‌های زیستی در عرض حدود یک سال ناپدید شدند
دانشمندان در کنار آزمایش فضای باز، آزمایش‌های آزمایشگاهی را با استفاده از خاک جمع‌آوری‌شده از همان جنگل انجام دادند. آنها پلاستیک‌های زیستی پودری را با خاک مخلوط کردند و فعالیت میکروبی را در طول یک سال کامل زیر نظر گرفتند.
یکی از اندازه‌گیری‌های مهم، میزان دی‌اکسید کربن یا CO۲ آزاد شده از نمونه‌ها بود. میکروارگانیسم‌ها با مصرف و متابولیزه کردن مواد آلی، از طریق تنفس دی‌اکسید کربن تولید می‌کنند. ردیابی این گاز به محققان کمک کرد تا میزان فعالیت میکروب‌ها در تجزیه پلاستیک‌ها را تعیین کنند.
لایه‌های پلاستیکی دفن شده به مدت یک سال کامل در خاک جنگل باقی ماندند و به تیم اجازه دادند تا تجزیه را در شرایط طبیعی با آزمایش‌های آزمایشگاهی که به دقت تحت نظارت بودند، مقایسه کنند.
دانشمندان برای ارزیابی نتایج، سلولز، سایر پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر، پلاستیک پلی‌اتیلن معمولی و نمونه‌های خاک بدون مواد افزودنی را نیز آزمایش کردند.
لرنر می‌گوید: «سلولز، انواع دیگر بیوپلاستیک‌ها مانند PHBV و PCL، و همچنین پلاستیک با چگالی بالا (HDPE) و خاک تصفیه نشده به عنوان گروه کنترل در آزمایشگاه مورد استفاده قرار گرفتند. ما دریافتیم که تمام مواد بیوپلاستیک تقریباً در عرض ۲۵۰ تا ۳۳۰ روز کاملاً تجزیه شدند. سلولز پس از حدود ۸۰ روز تجزیه شد، در حالی که عملاً هیچ تجزیه‌ای برای HDPE رخ نداد.»
تفاوت قابل توجه بود. در حالی که پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر تقریباً در عرض نه تا یازده ماه کاملاً تجزیه شدند، پلی‌اتیلن با چگالی بالای معمولی تقریباً هیچ تجزیه‌ای نشان نداد.
این نتایج نشان می‌دهد که چرا ترکیب شیمیایی پلاستیک بسیار مهم است. برخی از پلیمرها حاوی پیوندهایی هستند که آنزیم‌های میکروبی می‌توانند به آنها حمله کنند و به باکتری‌ها اجازه می‌دهند آنها را به مولکول‌های کوچکتر تجزیه کنند. برخی دیگر، از جمله پلی‌اتیلن پرکاربرد، در برابر تجزیه بیولوژیکی بسیار مقاوم‌تر هستند.
حفره های مرموز نشان می‌دهند که چگونه باکتری‌ها پلاستیک می‌خورند
هنگامی که محققان فیلم‌های پلاستیکی را از خاک جنگل بازیابی کردند، چیز غیرمنتظره‌ای را کشف کردند.
با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، که می‌تواند ساختارهایی را که بسیار کوچک هستند آشکار کند و با میکروسکوپ نوری معمولی قابل مشاهده نیستند، تیم سطوح مواد دفن شده را بررسی کرد. آنها سوراخ‌های ریز متعددی را یافتند که هر کدام تقریباً با ابعاد و شکل یک سلول باکتریایی مطابقت داشتند.
الگوی غیرمعمول نشان می‌داد که باکتری‌ها کاری بیش از اتصال ساده خود به پلاستیک انجام می‌دهند. به نظر می‌رسید که آنها در حال نفوذ به خود ماده هستند.
لرنر توضیح می‌دهد: "ما فرض کردیم که باکتری‌ها با دپلیمرازهای پلاستیکی پوشانده شده‌اند که به سطوح سلولی آنها متصل شده‌اند. این امر آنها را قادر می‌سازد تا راه خود را به داخل ماده باز کنند و در داخل فیلم جاسازی شوند و سوراخ‌های میکروسکوپی دقیقاً از این نوع را به جا بگذارند."
دپلیمرازها آنزیم‌هایی هستند که مولکول‌های بزرگی به نام پلیمر را به واحدهای شیمیایی کوچکتر تجزیه می‌کنند. اگر این آنزیم‌ها مستقیماً به قسمت بیرونی یک باکتری متصل شوند، می‌توانند به میکروارگانیسم اجازه دهند تا مواد اطراف را در حالی که در تماس نزدیک با آن هستند، هضم کند.
این امر به توضیح حفره‌های میکروسکوپی مشاهده شده در فیلم‌های پلاستیکی کمک می‌کند. باکتری‌ها به جای تکیه کامل بر آنزیم‌های آزاد شده در محیط، ممکن است بتوانند مواد را مستقیماً در سطوح خود تجزیه کنند.
دانشمندان آنزیم «پک-من» پلاستیک‌خوار را شناسایی کردند
لرنر برای یافتن سازوکار زیستی پشت این رفتار غیرمعمول،DNA را از کل جامعه میکروارگانیسم‌های ساکن در نمونه‌های خاک استخراج کرد.
سپس او مواد ژنتیکی را توالی‌یابی کرد و داده‌های گسترده را با دقت تجزیه و تحلیل کرد تا مشخص کند کدام میکروب‌ها و ژن‌ها با تجزیه بیوپلاستیک‌ها به طور ویژه فراوان می‌شوند.
یک ژن برجسته بود. این ژن به طور خاص در خاک جنگلی حاوی LCAP غنی شده بود، که نشان می‌دهد می‌تواند نقش مهمی در تجزیه پلی‌استر زیست‌تخریب‌پذیر داشته باشد.
تجزیه و تحلیل بیشتر نشان داد که این ژن «استراز» تولید می‌کند؛ نوعی آنزیم که قادر به تجزیه پیوندهای شیمیایی خاصی است که در استرها یافت می‌شوند. این پیوندها در بسیاری از مواد طبیعی و همچنین در پلی‌استرهای زیست‌تخریب‌پذیر مختلف وجود دارند.
آنچه این آنزیم خاص را به ویژه جالب توجه می‌کرد، نحوه قرارگیری آن روی سلول‌های باکتریایی بود.
دستورالعمل‌های ژنتیکی آن شامل یک سیگنال ترشحی بود که آنزیم را به خارج از سلول هدایت می‌کند، همراه با یک لنگر لیپیدی که آن را محکم به غشای سلولی نگه می‌دارد.
این چیدمان به این معنی است که آنزیم می‌تواند در حین حمله به مولکول‌های پلاستیکی مجاور، به سطح باکتری متصل بماند. جایگاه فعال غیرمعمول آن نیز فضایی را برای تعامل آنزیم با زنجیره‌های پلیمری فراهم می‌کند.
محققان مکانیسم مولکولی مورد نظر خود را به همراه آنزیمی که "پک-من" نامیدند، شناسایی کرده بودند.
ارتباط شگفت‌انگیز با مقاومت آنتی‌بیوتیکی
این کشف زمانی جذاب‌تر شد که دانشمندان ساختار مولکولی این آنزیم را بررسی کردند.
اگرچه این آنزیم شبیه استرازها بود که به شکستن پیوندهای استری معروف هستند، اما شباهت‌های ساختاری با خانواده مهم دیگری از آنزیم‌های باکتریایی به نام «بتا-لاکتامازها» نیز داشت.
این آنزیم‌ها به دلیل نقششان در مقاومت آنتی‌بیوتیکی شناخته شده‌اند. برخی از باکتری‌ها بتا-لاکتامازهایی تولید می‌کنند که با شکستن بخش مهمی از ساختار شیمیایی آنها، که به عنوان حلقه بتا-لاکتام شناخته می‌شود، آنتی‌بیوتیک‌هایی مانند پنی‌سیلین را غیرفعال می‌کنند.
لرنر می‌گوید: "ساختار آن شبیه استرازها و همچنین شبیه بتا-لاکتامازها است که آنزیم‌های باکتریایی هستند که قادر به شکستن حلقه بتا-لاکتام برخی از آنتی‌بیوتیک‌ها مانند پنی‌سیلین هستند و در نتیجه باکتری‌ها را در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم می‌کنند."
آزمایش‌های آزمایشگاهی تأیید کردند که آنزیم تازه کشف شده قادر به انجام هر دو نوع واکنش شیمیایی است.
این آنزیم می‌تواند زنجیره‌های پلی‌استر را به بلوک‌های سازنده جداگانه آنها که به عنوان مونومر شناخته می‌شوند، بشکند و در عین حال پنی‌سیلین را نیز تجزیه کند.
این فعالیت دوگانه به ویژه تعجب‌آور بود زیرا تخریب پلاستیک و تجزیه آنتی‌بیوتیک معمولاً عملکردهای بیولوژیکی جداگانه‌ای در نظر گرفته می‌شوند.
این یافته این احتمال را افزایش می‌دهد که برخی از آنزیم‌های دخیل در تجزیه پلاستیک می‌توانند در مقاومت آنتی‌بیوتیکی نیز نقش داشته باشند. با این حال، نشان دادن اینکه یک آنزیم می‌تواند پنی‌سیلین را در آزمایشگاه به صورت شیمیایی تجزیه کند، ثابت نمی‌کند که مقاومت آنتی‌بیوتیکی را برای باکتری‌های زنده فراهم می‌کند.
آیا باکتری‌های پلاستیک‌خوار می‌توانند به حل آلودگی پلاستیک کمک کنند؟
این کشف همچنین سوال گسترده‌تری را در مورد اینکه میکروارگانیسم‌ها با چه سرعتی می‌توانند با مواد مصنوعی وارد شده به محیط خود سازگار شوند، مطرح می‌کند.
در بیشتر تاریخ زمین، آلودگی پلاستیک وجود نداشته است. میکروارگانیسم‌ها آنزیم‌هایی را برای هضم مواد طبیعی، از جمله الیاف گیاهی و سایر مولکول‌های آلی پیچیده، تکامل داده‌اند.
پلاستیک‌های مدرن مجموعه جدید عظیمی از منابع کربن بالقوه را به محیط زیست وارد کرده‌اند، اما بسیاری از این مواد از نظر شیمیایی برای میکروب‌ها غیرقابل دسترس هستند.
آنزیم پک-من نشان می‌دهد که این مانع ممکن است برای هر نوع پلاستیک مطلق نباشد.
به نظر می‌رسد برخی از باکتری‌ها قادر به استفاده از آنزیم‌های تخصصی برای حمله به پلی‌استرهای زیست‌تخریب‌پذیر هستند و به طور بالقوه به آنها اجازه می‌دهد از این مواد به عنوان منابع انرژی و مواد مغذی استفاده کنند.
برای دانشمندانی که آلودگی پلاستیک را مطالعه می‌کنند، این یافته سرنخ امیدوارکننده‌ای در مورد چگونگی بهبود تخریب بیولوژیکی ارائه می‌دهد. همچنین نشان می‌دهد که جوامع میکروبی می‌توانند با پلیمرهای مصنوعی خاصی سریع‌تر از آنچه قبلاً پیش‌بینی می‌شد، سازگار شوند.
با این حال، نتایج به این معنی نیست که باکتری‌ها ناگهان قادر به مصرف مقادیر عظیم پلاستیک معمولی هستند که در حال حاضر در محیط زیست انباشته شده‌اند. آزمایش‌ها نشان داد که پلی‌اتیلن تا حد زیادی بدون تغییر باقی ماند، حتی با وجود اینکه پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر تجزیه شدند.
در عوض، محققان بر اهمیت طراحی موادی تأکید می‌کنند که میکروارگانیسم‌ها واقعاً بتوانند هضم کنند.
برای مقابله با مشکل زیست‌محیطی آلودگی پلاستیک، ما انسان‌ها باید با قابلیت‌های میکروب‌ها کار کنیم. در حالت ایده‌آل، این شامل استفاده از پلیمرهایی با نقاط شکست بیوشیمیایی، مانند پیوندهای استری هیدرولیزپذیر در پلی‌استرهایی مانند LCAP یا سایر انواع بیوپلاستیک‌ها می‌شود.
این کشف نگاهی اجمالی به یک رویکرد بالقوه پایدارتر برای تولید پلاستیک ارائه می‌دهد. دانشمندان می‌توانند به جای انتظار از میکروارگانیسم‌ها برای تجزیه موادی که به طور طبیعی در برابر تجزیه مقاوم هستند، پلاستیک‌هایی با ساختارهای شیمیایی توسعه دهند که بازیافت بیولوژیکی را ممکن می‌سازد.
آنزیم پک ـ من نشان می‌دهد که چگونه باکتری‌ها می‌توانند از این نقاط ضعف مولکولی سوءاستفاده کنند و بینش جدیدی در مورد رابطه بین آلودگی پلاستیک، سازگاری میکروبی و آینده مواد زیست‌تخریب‌پذیر ارائه می‌دهد.