Praegu ujub maailmamere vetes üle 250 000 tonni plastijäätmeid. Vaikset ookeani hinnatakse põhjapoolkera kõige saastunumaks veealaks, samas kui lõunapoolkeral osutus India ookean saastunumaks kui Vaikne ja Atlandi ookean kokku. Ühtlasi kirjeldatakse Vaikset ookeani kui Maa plastijäätmetega kõige enam saastunud ookeani. Plastireostus liigub valitsevate tuulte ja hoovuste mõjul kogu maailmameres. Seda on näidatud põhjapoolkeral, kus vee ja vastavalt ka jäätmete pikaajaline, mitu aastat kestev liikumine põhjustab plastiprügi kogunemist ookeanibasseinide keskossa. Sarnased seaduspärasused on tuvastatud kõigis lõunapoolkera ookeanides. Üllataval kombel jääb lõunapoolkera ookeanides määratud plasti üldkogus samasse suurusjärku kui põhjapoolkera ookeanides. See on ootamatu, arvestades, et põhjapoolkeral on plasti merre jõudmise allikaid märksa rohkem kui lõunapoolkeral. See tähendab, et plastesemed liiguvad ja jaotuvad ookeanihoovuste ning poolkerade vahel kergemini, kui varem arvati.

Ujuva mikroplasti lõplik saatus ei ole siiski ookeani pinnal. Tähelepanekud, et merepinnal leidub palju vähem mikroplasti, kui võiks eeldada, viitavad mingitele protsessidele, mis eemaldavad plastijäätmeid veepinnalt. Nende hulka kuuluvad lagunemine ultraviolettkiirguse toimel, biolagunemine, organismide poolt allaneelamine, ujuvuse vähenemine organismidega kattumise tõttu ja põhja vajumine ning kaldale uhtumine.

Plastijäätmed võivad laguneda kas füüsikalis-keemiliste ehk abiootiliste protsesside või biolagunemise ehk biootiliste protsesside kaudu. Polümeerse materjali purunemist mehaanilist laadi füüsikaliste jõudude toimel peetakse tavaliselt esimeseks sammuks, millel on eluliselt tähtis roll igas lagunemisprotsessis. Plastide lagunemine keskkonnas võib toimuda ühe või mitme neljast põhimehhanismist koosmõjul: fotolagunemine, hüdrolüüs, termooksüdatiivne lagunemine ja biolagunemine. Looduslikes tingimustes, näiteks merekeskkonnas, algab tavaliste plastide, nagu kõrgtihe ja madaltihe polüetüleen ning polüpropüleen (LDPE, HDPE, PP), lagunemine fotolagunemisega, peamiselt UV-B-kiirguse mõjul, ning jätkub termooksüdatsiooni ja vähemal määral vee toimel lagunemise ehk hüdrolüüsiga.

Woods Hole’i okeanograafiainstituudi teadlaste avaldatud uus uuring näitab, et polüstüreen (PS), üks maailma levinumaid plaste, võib päikesevalguse mõjul laguneda aastakümnete või sajanditega, mitte tuhandete aastatega, nagu varem arvati. Polüstüreeni osaline lagunemine toimub olenevalt plasti liigist kõigest 10-50 aastaga. Selle täielik fotokeemiline oksüdeerumine on võimalik 300-450 aastaga. Päikesevalgus ei põhjusta üksnes plastide füüsilist purunemist, vaid ka nende keemilist lagunemist lahustunud orgaaniliseks süsinikuks ja väikeseks koguseks süsinikdioksiidiks, mis satub atmosfääri.

Lagunemisprotsessid põhjustavad plastide killustumist, mille käigus need murduvad väiksemateks tükkideks, ning polümeeride molekulmassi vähenemist. Seejärel saavad mikroobid neid väikese molekulmassiga aineid metaboliseerida. Igal juhul kulgeb kogu protsess tavaliselt nii aeglaselt, et plastpolümeeride täielik lagundamine teiste organismide poolt võib võtta üle 50 aasta.

Paljusid keerulisi looduslikke ja sünteetilisi ühendeid lagundavad mikroobikooslused, mitte üksikud tüved, mis on tõenäoliselt seotud üksikute organismide piiratud ainevahetusvõimalustega. Seetõttu võib oletada, et plastijäätmeid kui tänapäeva ühiskonna üht peamist keskkonnaprobleemi saab tõhusamalt lagundada eri organismirühmade koostöös. Plastide biolagunemine tähendab peamiselt polümeersete materjalide muutmist biogaasiks ja biomassiks õhu puudumisel anaeroobsete mikroorganismide abil, kes saavad polümeere oma kasvuks tõhusalt süsinikuallikana kasutada. Plastide olemus ise ja nende erilised füüsikalis-keemilised omadused aga takistavad nende biolagunemist, muutes need kehvaks kasvusubstraadiks.

Plastijäätmete biolagunemine algab polümeeriahela ensümaatilise lõhustamisega väikese molekulmassiga ühenditeks, nagu oligomeerid, dimeerid ja monomeerid. See toimub ensüümi seondumisel polümeeriga ning selle hüdrolüütilise ehk vee toimel lõhustumise katalüüsimisel (kiirendamisel). Protsess lõpeb nende väikese molekulmassiga ühendite muutumisega süsinikdioksiidiks ja veeks. Bakterid, seened ja vetikad on teadete kohaselt tõhusad organismid, kes suudavad plastpolümeere lagundada.

Seentel on polümeersete materjalide lagundamisel võtmeroll. Seene mütseel võib tõhusalt tungida läbi nende pinna sügavale materjali sisse, et lagundada võimalikult palju seda substraati. Lisaks võib mütseel eritada rakuväliseid ensüüme, näiteks depolümeraase, ning lõhustada polümeerse substraadi oligomeerideks, dimeerideks ja monomeerideks ehk väikese molekulmassiga fragmentideks. Seejärel omastavad seened need monomeerid ning kas kasutavad neid ainevahetuses või muudavad need rakusisese ensüümsüsteemi abil süsinikdioksiidiks ja veeks. Sellest vaatenurgast mainitakse valge- ja pruunmädanikku tekitavaid seeni sageli polümeersete plastainete tõhusate lagundajatena.

Samamoodi võivad bakteritüved lagundada plasti polümeerseid aineid saastunud vees või pinnases. Mitmes uuringus on teatatud, et spetsialiseerunud bakterite abil toimuv plasti biolagunemine võib olla saastunud ökosüsteemide jaoks paljulubav biotervendamise strateegia. Sellised bakteritüved nagu Pseudomonas spp., Bacillus spp. ja Streptomyces spp. lagundavad erinevaid plastpolümeere väga tõhusalt. Igal juhul ületab plastide lagundamise kiirus seente abil bakteritüvedega saavutatud kiirust. Teisalt märgivad mõned autorid, et baktereid on lihtsam kasvatada ja nende abil polümeerseid materjale lagundada kui seeni, kes vajavad stabiilsemaid tingimusi.

Seni on vaid vähestes uuringutes teatatud vetikaliikide võimest leevendada plastijäätmetest tingitud reostust. See tähelepanek puudutas niitjate vetikate võimet asustada plastijäätmete pinda tänu selliste keskkonnategurite olemasolule nagu päikesevalgus, toitained ja vesi, mis on vetikate kasvuks hädavajalikud. Leiti, et mitmed ohutud ja mittetoksilised vetikaliigid rühmadest Bacillariophyceae, Chlorophyceae ja Cyanophyceae suudavad kasvada polüetüleenpindadel ning moodustada vetikate biokilesid erinevates saastunud veekeskkondades, nagu tiigid, järved ja reovesi. Sellega seoses teatavad autorid, et kergesti eraldatavad ja kiiresti kasvavad Phormidium lucidum ning Oscillatoria subbrevis, magevees elavad mittetoksilised tsüanobakterid, võivad moodustada kolooniaid PE pinnal ja tõhusalt lagundada HDPE-d ilma eeltöötluseta.

Peale selle kohanevad mõned bakterite ja seente liigid, nagu Ideonella sakaiensis ja Pestalotiopsis microspore, mida kasutatakse ensüümi PETase tootmiseks, halvasti merekeskkonnaga, kuhu koguneb suurem osa plastijäätmetest. Näidatud on ränivetika Phaeodactylum tricornutum edukat kasutamist mikroobse tehasena täiustatud PETase tootmiseks, millel on aktiivsus PET ja kopolümeeri PETG ehk glükooliga modifitseeritud polüetüleentereftalaadi suhtes.

Kinnitatud on ka polümeeride biolagundamine mitme selgrootu looma poolt, näiteks superussid Zophobas atratus, lõuna-aidaleedik Plodia interpunctella, suur vahaleedik Galleria mellonella, hariliku jahumardika vastsed Tenebrio molitor, väike vahaleedik Achroia grisella, maismaateod (Achatina fulica), termiidid ja teised selgrootud. Sellist silmapaistvat aktiivsust plastpolümeeride lagundamisel omistatakse tavaliselt nende soolestiku mikroobsetele sümbiontidele, sest just nende osalusel suudavad mõned selgrootuliigid toituda puidust või muudest polümeersetest ühenditest.

Plastid on leidnud oma ainulaadsete omaduste tõttu laialdast kasutust ja neid peetakse seetõttu üheks meie elu kõige vajalikumaks materjaliks. Plastijäätmete kahjulik mõju on siiski võrdeline nende kasutamise ja keskkonda kogunemisega. Seega on plastmaterjalide omadused mikroobse lagundamise või isegi nende pinna asustamise jaoks tõeline väljakutse. Paljud teadlased on täheldanud mitmete mikroorganismide ja selgrootute osalemist plasti biolagundamises, mis viitab nende põhimõttelisele rollile materjali biolagunemisprotsessis.

Sellest lähtudes rõhutavad erialateadlased plastijäätmete füüsikalise ja/või keemilise eeltöötluse rolli ja tähtsust esimese olulise sammuna, mis on sageli plastpolümeeride mikroobse lagundamise eeltingimus. Mikroorganismid, vetikad, plastist toituvad putukad ja teised selgrootuliigid võivad tulevikus mängida olulist rolli plasti biolagundamises. Uuringud pakuvad välja keskkonnahoidliku, tõhusa ja odava tehnoloogia loomise plastijäätmete käitlemiseks ja lagundamiseks, et saada jagu nende kuhjumisest keskkonda.

Allikad:

1. Eriksen M. et al. Plastic pollution in the world's oceans: more than 5 trillion plastic pieces weighing over 250,000 tons afloat at sea //PloS one. – 2014. – Т. 9. – №. 12. – С. e111913.
2. Law K. L. et al. Plastic accumulation in the North Atlantic subtropical gyre //Science. – 2010. – Т. 329. – №. 5996. – С. 1185-1188.
3. Eriksen M. et al. Plastic pollution in the South Pacific subtropical gyre //Marine pollution bulletin. – 2013. – Т. 68. – №. 1-2. – С. 71-76.
4. Lebreton L. C. M., Greer S. D., Borrero J. C. Numerical modelling of floating debris in the world’s oceans //Marine pollution bulletin. – 2012. – Т. 64. – №. 3. – С. 653-661.
5. Barnes D. K. A. et al. Accumulation and fragmentation of plastic debris in global environments //Philosophical transactions of the royal society B: biological sciences. – 2009. – Т. 364. – №. 1526. – С. 1985-1998.
6. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
7. Cole M. et al. Microplastics as contaminants in the marine environment: a review //Marine pollution bulletin. – 2011. – Т. 62. – №. 12. – С. 2588-2597.
8. Ward C. P. et al. Sunlight converts polystyrene to carbon dioxide and dissolved organic carbon //Environmental science & technology letters. – 2019. – Т. 6. – №. 11. – С. 669-674.
9. Webb H. K. et al. Plastic degradation and its environmental implications with special reference to poly (ethylene terephthalate) //Polymers. – 2012. – Т. 5. – №. 1. – С. 1-18.
10. Ali S. S. et al. Enhanced digestion of bio-pretreated sawdust using a novel bacterial consortium: microbial community structure and methane-producing pathways //Fuel. – 2019. – Т. 254. – С. 115604.
11. Ali S. S. et al. The effects of water hyacinth pretreated digestate on Lupinus termis L. seedlings under salinity stress: A complementary study //Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2019. – Т. 7. – №. 3. – С. 103159.
12. Ali S. S., Sun J. Effective thermal pretreatment of water hyacinth (Eichhornia crassipes) for the enhancement of biomethanation: VIT® gene probe technology for microbial community analysis with special reference to methanogenic Archaea //Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2019. – Т. 7. – №. 1. – С. 102853.
13. Magnin A. et al. Evaluation of biological degradation of polyurethanes //Biotechnology Advances. – 2020. – Т. 39. – С. 107457.
14. Biffinger J. C. et al. A direct quantitative agar-plate based assay for analysis of Pseudomonas protegens Pf-5 degradation of polyurethane films //International Biodeterioration & Biodegradation. – 2014. – Т. 95. – С. 311-319.
15. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
16. Sánchez C. Fungal potential for the degradation of petroleum-based polymers: An overview of macro-and microplastics biodegradation //Biotechnology advances. – 2020. – Т. 40. – С. 107501.
17. Ameen F. et al. Biodegradation of Low Density Polyethylene (LDPE) by Mangrove fungi from the red sea coast //Progress in Rubber Plastics and Recycling Technology. – 2015. – Т. 31. – №. 2. – С. 125-143.
18. Ali S. S. et al. Construction of a novel cold-adapted oleaginous yeast consortium valued for textile azo dye wastewater processing and biorefinery //Fuel. – 2021. – Т. 285. – С. 119050.
19. Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., Toyohara, K., Miyamoto, K., Kimura, Y., Oda, K., 2016. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethyleneterephthalate). Science 351, 1196–1199.
20. Li J. et al. Rapid biodegradation of polyphenylene sulfide plastic beads by Pseudomonas sp //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 720. – С. 137616.
21. Matjašič T. et al. Critical evaluation of biodegradation studies on synthetic plastics through a systematic literature review //Science of the Total Environment. – 2021. – Т. 752. – С. 141959.
22. Muhonja C. N. et al. Biodegradability of polyethylene by bacteria and fungi from Dandora dumpsite Nairobi-Kenya //PloS one. – 2018. – Т. 13. – №. 7. – С. e0198446.
23. Amobonye A. et al. Plastic biodegradation: Frontline microbes and their enzymes //Science of the Total Environment. – 2021. – Т. 759. – С. 143536.
24. Moog D. et al. Using a marine microalga as a chassis for polyethylene terephthalate (PET) degradation //Microbial cell factories. – 2019. – Т. 18. – №. 1. – С. 1-15.
25. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
26. Sarmah P., Rout J. Efficient biodegradation of low-density polyethylene by cyanobacteria isolated from submerged polyethylene surface in domestic sewage water //Environmental Science and Pollution Research. – 2018. – Т. 25. – С. 33508-33520.
27. Moog D. et al. Using a marine microalga as a chassis for polyethylene terephthalate (PET) degradation //Microbial cell factories. – 2019. – Т. 18. – №. 1. – С. 1-15.
28. Yang Y., Wang J., Xia M. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating superworms Zophobas atratus //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 708. – С. 135233.
29. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
30. Bombelli P., Howe C. J., Bertocchini F. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella //Current biology. – 2017. – Т. 27. – №. 8. – С. R292-R293.
31. Brandon A. M. et al. Biodegradation of polyethylene and plastic mixtures in mealworms (larvae of Tenebrio molitor) and effects on the gut microbiome //Environmental science & technology. – 2018. – Т. 52. – №. 11. – С. 6526-6533.
32. Kundungal H. et al. Efficient biodegradation of polyethylene (HDPE) waste by the plastic-eating lesser waxworm (Achroia grisella) //Environmental Science and Pollution Research. – 2019. – Т. 26. – С. 18509-18519.
33. Song Y. et al. Biodegradation and disintegration of expanded polystyrene by land snails Achatina fulica //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 746. – С. 141289.
34. Engel P., Moran N. A. The gut microbiota of insects–diversity in structure and function //FEMS microbiology reviews. – 2013. – Т. 37. – №. 5. – С. 699-735.
35. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
36. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
37. Ali S. S., Sun J. Physico-chemical pretreatment and fungal biotreatment for park wastes and cattle dung for biogas production //SpringerPlus. – 2015. – Т. 4. – С. 1-14.
38. Ali S. S., Abomohra A. E. F., Sun J. Effective bio-pretreatment of sawdust waste with a novel microbial consortium for enhanced biomethanation //Bioresource technology. – 2017. – Т. 238. – С. 425-432.
39. Ali S. S. et al. Screening and characterizing of xylanolytic and xylose-fermenting yeasts isolated from the wood-feeding termite, Reticulitermes chinensis //PLoS One. – 2017. – Т. 12. – №. 7. – С. e0181141.
40. Ali S. S. et al. The role of gut symbionts from termites: a unique hidden player from yeasts //Acta Microbiol Sin. – 2018. – Т. 58. – №. 6. – С. 1004-1015.
41. Selonen S. et al. Exploring the impacts of plastics in soil–The effects of polyester textile fibers on soil invertebrates //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 700. – С. 134451.
42. Yang Y., Wang J., Xia M. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating superworms Zophobas atratus //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 708. – С. 135233.

Selle artikli on kirjutanud kasutaja. Teave võib olla ebatäpne või aegunud.