כיום יותר מ־250 000 טונות של פסולת פלסטיק צפות במימי האוקיינוסים בעולם. האוקיינוס השקט נחשב לאזור המים המזוהם ביותר בחצי הכדור הצפוני, ואילו בחצי הכדור הדרומי התברר שהאוקיינוס ההודי מלוכלך יותר מהאוקיינוס השקט והאטלנטי גם יחד. עם זאת, האוקיינוס השקט מתואר כאוקיינוס המזוהם ביותר בפסולת פלסטיק על פני כדור הארץ. זיהום הפלסטיק נע בכל האוקיינוסים בהשפעת הרוחות והזרמים השולטים. הדבר הודגם בחצי הכדור הצפוני, שבו תנועה ארוכת טווח של המים במשך כמה שנים, ובהתאם גם של הפסולת, מובילה להצטברות פסולת פלסטיק במרכז אגני האוקיינוסים. דפוסים דומים נמצאו בכל האוקיינוסים של חצי הכדור הדרומי. באופן מפתיע, כמות הפלסטיק הכוללת שנמדדה באוקיינוסים של חצי הכדור הדרומי נמצאת באותו טווח כמו באוקיינוסים של חצי הכדור הצפוני. הדבר בלתי צפוי, בהתחשב בכך שבחצי הכדור הצפוני יש הרבה יותר מקורות להגעת פלסטיק מאשר בדרומי. פירוש הדבר הוא שמוצרי פלסטיק נעים ומתפזרים מחדש בין זרמי האוקיינוסים ובין חצאי הכדור בקלות רבה יותר מכפי שסברו בעבר.

עם זאת, גורלו הסופי של המיקרופלסטיק הצף אינו על פני האוקיינוס. התצפיות שלפיהן על פני הים יש הרבה פחות מיקרופלסטיק מכפי שניתן היה לצפות מעידות על קיומם של תהליכים כלשהם המסלקים פסולת פלסטיק מפני המים. אלה כוללים פירוק בקרינה על־סגולה, פירוק ביולוגי, בליעה בידי אורגניזמים, ירידה בכושר הציפה עקב התכסות באורגניזמים ושקיעה לקרקעית, וכן היסחפות לחוף.

פסולת פלסטיק יכולה להתפרק באמצעות תהליכים פיזיקליים־כימיים (אביוטיים) או בפירוק ביולוגי (ביוטי). הרס החומר הפולימרי בהשפעת כוחות פיזיקליים מכניים נחשב בדרך כלל לשלב הראשון, הממלא תפקיד חיוני בכל תהליך פירוק. פירוק פלסטיק בסביבה יכול להתרחש באמצעות אחד מארבעה מנגנונים עיקריים או שילוב שלהם: פירוק באור, הידרוליזה, פירוק תרמו־חמצוני ופירוק ביולוגי. בתנאים טבעיים, למשל בסביבה הימית, פירוק פלסטיקים נפוצים, כגון פוליאתילן בצפיפות גבוהה ונמוכה ופוליפרופילן (LDPE, HDPE, PP), מתחיל בפירוק באור, בעיקר בהשפעת קרינת UV-B, וממשיך בחמצון תרמי ובמידה פחותה בפירוק באמצעות מים — הידרוליזה.

מחקר חדש שפרסמו מדענים מהמכון האוקיינוגרפי Woods Hole מראה שפוליסטירן (PS), אחד מסוגי הפלסטיק הנפוצים בעולם, יכול להתפרק בהשפעת אור השמש בתוך עשרות או מאות שנים, ולא בתוך אלפי שנים כפי שסברו בעבר. פירוק חלקי של פוליסטירן מתרחש בתוך 10-50 שנים בלבד, בהתאם לסוג הפלסטיק. החמצון הפוטוכימי המלא שלו אפשרי בתוך 300-450 שנים. אור השמש גורם לא רק להרס הפיזי של הפלסטיק אלא גם לפירוקו הכימי לפחמן אורגני מומס ולכמות קטנה של פחמן דו־חמצני הנפלט לאטמוספרה.

תהליכי הפירוק גורמים להתפצלות הפלסטיק לחתיכות קטנות יותר ולירידה במשקל המולקולרי של הפולימרים. לאחר מכן מיקרובים יכולים לבצע חילוף חומרים בחומרים אלה בעלי המשקל המולקולרי הנמוך. בכל מקרה, התהליך כולו מתרחש בדרך כלל באטיות רבה כל כך, שפירוק מלא של פולימרים פלסטיים בידי אורגניזמים אחרים עשוי לדרוש יותר מ־50 שנים.

תרכובות טבעיות וסינתטיות מורכבות רבות עוברות פירוק ביולוגי באמצעות קהילות מיקרוביאליות ולא באמצעות זנים בודדים, כנראה בשל היכולות המטבוליות המוגבלות של אורגניזמים יחידים. לכן אפשר להניח שפסולת פלסטיק, כאחת הבעיות הסביבתיות העיקריות של החברה המודרנית, יכולה להתפרק ביעילות רבה יותר באמצעות שילוב של קבוצות אורגניזמים שונות. פירוק ביולוגי של פלסטיק מתייחס בעיקר להפיכת חומרים פולימריים לביוגז ולביומסה בהיעדר אוויר, באמצעות מיקרואורגניזמים אל־אווירניים שיכולים להשתמש בפולימרים ביעילות כמקור פחמן לגדילתם. עם זאת, עצם טבעו של הפלסטיק ותכונותיו הפיזיקליות־כימיות המיוחדות מעכבים את פירוקו הביולוגי והופכים אותו למצע גרוע לגדילה.

פירוק ביולוגי של פסולת פלסטיק מתחיל בביקוע אנזימטי של שרשרת הפולימר לתרכובות בעלות משקל מולקולרי נמוך, כגון אוליגומרים, דימרים ומונומרים. הדבר מתרחש באמצעות היקשרות האנזים לפולימר וזירוז (האצה) של הביקוע ההידרוליטי שלו (באמצעות מים). התהליך מסתיים בהפיכת תרכובות אלה לפחמן דו־חמצני ולמים. חיידקים, פטריות ואצות מדווחים כאורגניזמים יעילים המסוגלים לפרק פולימרים פלסטיים.

לפטריות תפקיד מרכזי בפירוק חומרים פולימריים. תפטיר הפטרייה יכול לחדור ביעילות דרך פני השטח שלהם לעומק מסת החומר, כדי לפרק כמות מרבית של המצע. נוסף על כך, התפטיר יכול להפריש אנזימים חוץ־תאיים, כגון דה־פולימראזות, ולפרק את המצע הפולימרי לאוליגומרים, דימרים ומונומרים, כלומר למקטעים בעלי משקל מולקולרי נמוך. לאחר מכן הפטריות סופגות את המונומרים, ואלה נטמעים בהן או הופכים לפחמן דו־חמצני ולמים באמצעות המערכת האנזימטית התוך־תאית שלהן. מנקודת מבט זו, פטריות ריקבון לבן וחום מוזכרות לעתים קרובות כמפרקות יעילות של חומרים פלסטיים פולימריים.

באופן דומה, זני חיידקים יכולים לפרק את החומרים הפולימריים שבפלסטיק במים או בקרקע מזוהמים. כמה מחקרים דיווחו שפירוק ביולוגי של פלסטיק באמצעות חיידקים ייעודיים עשוי להיות אסטרטגיה מבטיחה לשיקום ביולוגי של מערכות אקולוגיות מזוהמות. זני חיידקים כגון Pseudomonas spp., Bacillus spp. ו־Streptomyces spp. מפגינים יעילות גבוהה בפירוק פולימרים פלסטיים שונים. בכל מקרה, קצב פירוק הפלסטיק באמצעות פטריות עולה על הקצב שהושג באמצעות זני חיידקים. מנגד, מחברים אחדים מדווחים שקל יותר לגדל חיידקים ולהשתמש בהם לפירוק חומרים פולימריים בהשוואה לפטריות, הזקוקות לתנאים יציבים יותר.

עד כה רק מחקרים מעטים דיווחו על יכולתם של מיני אצות למתן את הזיהום מפסולת פלסטיק. התצפית נגעה ליכולתן של אצות חוטיות להתיישב על פני פסולת פלסטיק בזכות גורמים סביבתיים כגון אור שמש, חומרי הזנה ומים, החיוניים לגדילתן. נמצא שכמה מיני אצות בלתי מזיקים ולא רעילים מהקבוצות Bacillariophyceae, Chlorophyceae ו־Cyanophyceae יכולים לצמוח על משטחי פוליאתילן וליצור ביופילמים של אצות בסביבות מים מזוהמות שונות, כגון בריכות, אגמים ושפכים. בהקשר זה המחברים מדווחים ש־Phormidium lucidum ו־Oscillatoria subbrevis, ציאנובקטריות לא רעילות של מים מתוקים שקל לבודד והן גדלות במהירות, יכולות ליצור מושבות על פני PE ולפרק ביעילות HDPE ללא טיפול מקדים.

יתרה מכך, מינים מסוימים של חיידקים ופטריות, כגון Ideonella sakaiensis ו־Pestalotiopsis microspore, המשמשים להפקת האנזים PETase, מסתגלים בצורה לקויה לבית הגידול הימי, שבו מצטברת מרבית פסולת הפלסטיק. הודגם שימוש מוצלח בצורנית Phaeodactylum tricornutum כמפעל מיקרוביאלי להפקת PETase מתקדמת, הפעילה כלפי PET והקופולימר PETG (פוליאתילן טרפתלאט שעבר שינוי באמצעות גליקול).

כמו כן אושר פירוק ביולוגי של פולימרים באמצעות כמה חסרי חוליות, כגון תולעי־העל Zophobas atratus, עש הקמח ההודי Plodia interpunctella, עש השעווה הגדול Galleria mellonella, זחלי תולעת הקמח Tenebrio molitor, עש השעווה הקטן Achroia grisella, חלזונות יבשה (Achatina fulica), טרמיטים וחסרי חוליות אחרים. פעילות יוצאת דופן זו בפירוק פולימרים פלסטיים מיוחסת בדרך כלל לסימביונטים המיקרוביאליים שבמעיהם, משום שדווקא בזכות השתתפותם יש למינים מסוימים של חסרי חוליות יכולת להיזון מעץ או מתרכובות פולימריות אחרות.

הפלסטיק זכה לשימוש נרחב בזכות תכונותיו הייחודיות, ולכן נחשב לאחד החומרים הנחוצים ביותר בחיינו. עם זאת, ההשפעה המזיקה של פסולת הפלסטיק עומדת ביחס ישר לשימוש בו ולהצטברותו בסביבה. בהתאם לכך, תכונות החומרים הפלסטיים מהוות אתגר ממשי לפירוק בידי מיקרובים, ואף להתיישבות על פני השטח שלהם. חוקרים רבים ציינו את השתתפותם של מיקרואורגניזמים וחסרי חוליות שונים בפירוק הביולוגי של פלסטיק, דבר המעיד על תפקידם היסודי בתהליך הפירוק הביולוגי של החומר.

על בסיס זה, המדענים המומחים מדגישים את תפקידו ואת חשיבותו של הטיפול המקדים בפסולת הפלסטיק, פיזיקלי ו/או כימי, כצעד ראשון וחשוב המהווה לעתים קרובות תנאי מוקדם לפירוק מיקרוביאלי של פולימרים פלסטיים. מיקרואורגניזמים, אצות, חרקים הניזונים מפלסטיק ומיני חסרי חוליות אחרים עשויים למלא בעתיד תפקיד חשוב בפירוק ביולוגי של פלסטיק. המחקרים מציעים לפתח טכנולוגיה נקייה לסביבה, יעילה וזולה לטיפול בפסולת פלסטיק ולפירוקה, במטרה להתגבר על הצטברותה בסביבה.

מקורות:

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.

זהו מאמר שנכתב על ידי משתמש. המידע עשוי להיות לא מדויק או לא עדכני.