Šiuo metu pasaulinio vandenyno vandenyse plūduriuoja daugiau nei 250 000 tonų plastiko atliekų. Ramusis vandenynas vertinamas kaip labiausiai užteršta Šiaurės pusrutulio vandens teritorija, o Pietų pusrutulyje Indijos vandenynas pasirodė esąs nešvaresnis už Ramųjį ir Atlanto vandenynus kartu sudėjus. Kartu Ramusis vandenynas apibūdinamas kaip labiausiai plastiko atliekomis užterštas vandenynas Žemėje. Plastiko tarša, veikiama vyraujančių vėjų ir srovių, juda po visą pasaulinį vandenyną. Tai buvo įrodyta Šiaurės pusrutulyje, kur ilgalaikis, kelerius metus trunkantis vandens ir atitinkamai atliekų pernešimas lemia plastiko šiukšlių kaupimąsi vandenynų baseinų centruose. Panašūs dėsningumai nustatyti visuose Pietų pusrutulio vandenynuose. Stebėtina, bet bendras Pietų pusrutulio vandenynuose nustatytas plastiko kiekis patenka į tą patį kiekybinį intervalą kaip ir Šiaurės pusrutulio vandenynuose. Tai netikėta, turint omenyje, kad Šiaurės pusrutulyje plastiko patekimo šaltinių yra gerokai daugiau nei Pietų. Vadinasi, plastiko gaminiai tarp vandenynų srovių ir tarp pusrutulių juda ir persiskirsto lengviau, nei anksčiau manyta.

Tačiau galutinė plūduriuojančio mikroplastiko vieta nėra vandenyno paviršius. Stebėjimai, kad jūros paviršiuje mikroplastiko yra gerokai mažiau, nei būtų galima tikėtis, rodo, jog egzistuoja tam tikri plastiko atliekų pašalinimo nuo vandens paviršiaus procesai. Tai skaidymas ultravioletiniais spinduliais, biologinis skaidymas, organizmų praryjamos dalelės, plūdrumo sumažėjimas dėl apaugimo organizmais ir nusėdimas ant dugno, taip pat išmetimas į krantą.

Plastiko atliekos gali būti skaidomos arba fizikiniais ir cheminiais (abiotiniais) procesais, arba biologiniu skaidymu (biotiniais procesais). Polimerinės medžiagos irimas veikiant mechaninio pobūdžio fizikinėms jėgoms paprastai laikomas pirmuoju žingsniu, atliekančiu gyvybiškai svarbų vaidmenį bet kuriame skaidymo procese. Plastiko skaidymas aplinkoje gali vykti pagal vieną iš keturių pagrindinių mechanizmų arba jų derinį: fotodegradaciją, hidrolizę, termooksidacinį ir biologinį skaidymą. Natūraliomis sąlygomis (pavyzdžiui, jūros aplinkoje) įprastų plastikų, tokių kaip žemo slėgio polietilenas, aukšto slėgio polietilenas ir polipropilenas (LDPE, HDPE, PP), skaidymas prasideda fotodegradacija (daugiausia veikiant UV-B spinduliuotei) ir tęsiasi termooksidacija bei mažesniu mastu skaidymu vandeniu — hidrolize.

Naujas Woods Hole okeanografijos instituto mokslininkų paskelbtas tyrimas rodo, kad polistirenas (PS), vienas iš labiausiai pasaulyje paplitusių plastikų, veikiamas saulės šviesos gali suirti per dešimtmečius ar šimtmečius, o ne per tūkstančius metų, kaip anksčiau manyta. Dalinis polistireno skaidymas įvyksta vos per 10-50 metų, priklausomai nuo plastiko rūšies. O visiška jo fotocheminė oksidacija galima per 300-450 metų. Saulės šviesa sukelia ne tik fizinį plastiko irimą, bet ir jo cheminį skaidymą į ištirpusią organinę anglį bei nedidelį anglies dioksido kiekį, patenkantį į atmosferą.

Skaidymo procesai lemia plastiko fragmentaciją, kai jis skyla į mažesnius gabalėlius, ir polimerų molekulinės masės mažėjimą. Tuomet šias mažos molekulinės masės medžiagas gali metabolizuoti mikrobai. Bet kuriuo atveju visas procesas paprastai vyksta taip lėtai, kad visiškam plastiko polimerų suskaidymui kitais organizmais gali prireikti daugiau nei 50 metų.

Daugelį sudėtingų natūralių ir sintetinių junginių biologiškai skaido mikroorganizmų konsorciumai, o ne atskiros padermės. Tai tikriausiai susiję su ribotomis atskirų organizmų metabolinėmis galimybėmis. Todėl galima manyti, kad plastiko atliekos, kaip viena pagrindinių šiuolaikinės visuomenės aplinkosaugos problemų, gali būti veiksmingiau skaidomos susijungus skirtingoms organizmų grupėms. Biologinis plastiko skaidymas daugiausia reiškia polimerinių medžiagų virtimą biodujomis ir biomase be oro, veikiant anaerobiniams mikroorganizmams, kurie gali veiksmingai naudoti polimerus kaip anglies šaltinį savo augimui. Tačiau pati plastiko prigimtis ir jo ypatingos fizikinės bei cheminės savybės trukdo biologiniam skaidymui, todėl jis yra prastas augimo substratas.

Biologinis plastiko atliekų skaidymas prasideda fermentiniu polimerinės grandinės skaidymu į mažos molekulinės masės junginius, tokius kaip oligomerai, dimerai ir monomerai. Tai vyksta fermentui prisijungiant prie polimero ir katalizuojant (spartinant) jo hidrolizinį skaidymą (vandeniu). Procesas baigiasi šių mažamolekulių junginių virtimu anglies dioksidu ir vandeniu. Pranešama, kad bakterijos, grybai ir dumbliai yra veiksmingi organizmai, gebantys skaidyti plastiko polimerus.

Grybai atlieka pagrindinį vaidmenį skaidant polimerines medžiagas. Grybo grybiena gali veiksmingai prasiskverbti pro jų paviršių gilyn į masę, kad suskaidytų kuo daugiau šio substrato. Be to, grybiena gali išskirti neląstelinius fermentus (pavyzdžiui, depolimerazes) ir skaidyti polimerinį substratą į oligomerus, dimerus ir monomerus, tai yra mažos molekulinės masės fragmentus. Tuomet grybai šiuos monomerus absorbuoja ir arba įsisavina, arba savo viduląsteline fermentine sistema paverčia anglies dioksidu ir vandeniu. Šiuo požiūriu baltojo ir rudojo puvinio grybai dažnai minimi kaip veiksmingi polimerinių plastiko medžiagų skaidytojai.

Panašiai bakterijų padermės gali skaidyti plastiko polimerines medžiagas užterštame vandenyje ar dirvožemyje. Daugelyje tyrimų pranešta, kad specializuotų bakterijų atliekamas biologinis plastiko skaidymas gali būti perspektyvi užterštų ekosistemų bioremediacijos strategija. Tokios bakterijų padermės kaip Pseudomonas spp., Bacillus spp. ir Streptomyces spp. pasižymi dideliu veiksmingumu skaidant įvairius plastiko polimerus. Bet kuriuo atveju grybų atliekamo plastiko skaidymo greitis viršija bakterijų padermių pasiekiamą greitį. Tačiau, kita vertus, kai kurie autoriai praneša, kad bakterijas auginti ir jomis skaidyti polimerines medžiagas lengviau nei grybus, kuriems reikia stabilesnių sąlygų.

Iki šiol tik keliuose tyrimuose pranešta apie dumblių rūšių gebėjimą mažinti taršą plastiko atliekomis. Šis pastebėjimas buvo susijęs su siūlinių dumblių gebėjimu kolonizuoti plastiko atliekų paviršių dėl tokių aplinkos veiksnių kaip saulės šviesa, maisto medžiagos ir vanduo, kurie gyvybiškai būtini dumblių augimui. Nustatyta, kad kelios nepavojingos ir netoksiškos dumblių rūšys iš Bacillariophyceae, Chlorophyceae ir Cyanophyceae grupių gali apauginti polietileno paviršius ir sudaryti dumblių bioplėveles įvairiuose užterštuose vandens telkiniuose, tokiuose kaip tvenkiniai, ežerai ir nuotekos. Šiuo klausimu autoriai praneša, kad lengvai išskiriami ir greitai augantys Phormidium lucidum ir Oscillatoria subbrevis (gėlavandenės netoksiškos melsvabakterės) gali sudaryti kolonijas PE paviršiuje ir veiksmingai skaidyti HDPE be išankstinio apdorojimo.

Be to, kai kurios bakterijų ir grybų rūšys, tokios kaip Ideonella sakaiensis ir Pestalotiopsis microspore, naudojamos fermentui PETase gauti, prastai prisitaiko prie jūrinės buveinės, kur kaupiasi dauguma plastiko atliekų. Įrodytas sėkmingas titnagdumblio Phaeodactylum tricornutum naudojimas kaip mikrobinės gamyklos patobulintai PETase gauti. Šis fermentas aktyvus PET ir kopolimero PETG (glikoliu modifikuoto polietileno tereftalato) atžvilgiu.

Taip pat patvirtintas kelių bestuburių gyvūnų atliekamas biologinis polimerų skaidymas: superkirmėlių Zophobas atratus, pietinių ugniukų Plodia interpunctella, didžiųjų vaškinių kandžių Galleria mellonella, milčių lervų Tenebrio molitor, mažųjų vaškinių kandžių Achroia grisella, sausumos sraigių (Achatina fulica), termitų ir kitų bestuburių. Toks išskirtinis aktyvumas skaidant plastiko polimerus paprastai priskiriamas jų žarnyno mikrobiniams simbiontams, nes būtent jiems dalyvaujant kai kurios bestuburių rūšys geba maitintis mediena ar kitais polimeriniais junginiais.

Dėl savo unikalių savybių plastikai plačiai naudojami ir todėl laikomi viena reikalingiausių medžiagų mūsų gyvenime. Vis dėlto žalingas plastiko atliekų poveikis yra proporcingas jų naudojimui ir kaupimuisi aplinkoje. Atitinkamai plastiko medžiagų savybės yra tikras iššūkis mikrobiniam skaidymui ar net jų paviršiaus kolonizavimui. Daugelis tyrėjų pastebėjo įvairių mikroorganizmų ir bestuburių dalyvavimą biologiniame plastiko skaidyme, o tai liudija jų esminį vaidmenį medžiagos biologinio skaidymo procese.

Remdamiesi tuo, mokslininkai specialistai pabrėžia plastiko atliekų išankstinio apdorojimo (fizikinio ir (arba) cheminio) vaidmenį ir svarbą kaip pirmojo ir svarbaus žingsnio, kuris dažnai yra būtina mikrobinio plastiko polimerų skaidymo sąlyga. Mikroorganizmai, dumbliai, plastiku mintantys vabzdžiai ir kitos bestuburių rūšys ateityje gali atlikti svarbų vaidmenį biologiškai skaidant plastiką. Tyrimai siūlo sukurti aplinkai nekenksmingą, veiksmingą ir nebrangią plastiko atliekų utilizavimo ir skaidymo technologiją, siekiant įveikti plastiko atliekų kaupimąsi aplinkoje.

Šaltiniai:

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.

Šį straipsnį parašė naudotojas. Informacija gali būti netiksli arba pasenusi.