I dag flyter mer enn 250 000 tonn plastavfall i verdenshavene. Stillehavet regnes som det mest forurensede havområdet på den nordlige halvkule, mens Det indiske hav på den sørlige halvkule viste seg å være mer forurenset enn Stillehavet og Atlanterhavet til sammen. Samtidig beskrives Stillehavet som det havet på jorden som er mest forurenset av plastavfall. Plastforurensning beveger seg gjennom verdenshavene under påvirkning av dominerende vinder og strømmer. Dette er vist for den nordlige halvkule, der langvarig transport av vann, og dermed avfall, over flere år fører til opphopning av plastavfall i sentrum av havbassengene. Tilsvarende mønstre er påvist i alle hav på den sørlige halvkule. Overraskende nok ligger den samlede plastmengden som er beregnet for havene på den sørlige halvkule, i samme størrelsesorden som for havene på den nordlige halvkule. Det er uventet ettersom den nordlige halvkule har betydelig flere kilder til plasttilførsel enn den sørlige. Dette betyr at plastprodukter lettere flyttes og omfordeles mellom havstrømmene og mellom halvkulene enn tidligere antatt.

Men flytende mikroplast ender ikke opp på havoverflaten. Observasjoner av at det finnes langt mindre mikroplast på havoverflaten enn forventet, tyder på at det finnes prosesser som fjerner plastavfall fra vannoverflaten. Disse omfatter nedbrytning ved ultrafiolett stråling, biologisk nedbrytning, inntak hos organismer, redusert oppdrift på grunn av begroing og avsetning på bunnen, samt at plast skylles i land.

Plastavfall kan brytes ned, eller degraderes, enten gjennom fysisk-kjemiske, abiotiske prosesser eller gjennom biologisk nedbrytning, biotiske prosesser. Nedbrytning av polymermaterialet under påvirkning av mekaniske krefter regnes vanligvis som det første trinnet, som spiller en avgjørende rolle i enhver nedbrytningsprosess. Nedbrytning av plast i miljøet kan skje gjennom én eller en kombinasjon av fire hovedmekanismer: fotonedbrytning, hydrolyse, termooksidativ nedbrytning og biologisk nedbrytning. Under naturlige forhold, for eksempel i det marine miljøet, begynner nedbrytningen av vanlige plasttyper som LDPE, HDPE og PP med fotonedbrytning, hovedsakelig under påvirkning av UV-B-stråling, og fortsetter med termooksidasjon og, i mindre grad, nedbrytning ved hjelp av vann – hydrolyse.

En ny studie publisert av forskere ved Woods Hole Oceanographic Institution viser at polystyren (PS), en av verdens vanligste plasttyper, kan brytes ned av sollys i løpet av tiår eller århundrer, i stedet for tusenvis av år som tidligere antatt. Delvis nedbrytning av polystyren tar bare 10–50 år, avhengig av plasttypen. Fullstendig fotokjemisk oksidasjon er mulig i løpet av 300–450 år. Sollys fører ikke bare til fysisk oppdeling av plast, men også til kjemisk nedbrytning til oppløst organisk karbon og en liten mengde karbondioksid som slippes ut i atmosfæren.

Nedbrytningsprosessene fører til at plast fragmenteres, altså deles opp i mindre biter, og at polymerenes molekylmasse reduseres. Disse stoffene med lav molekylmasse kan deretter omsettes av mikrober. Hele prosessen går uansett vanligvis så sakte at det kan ta mer enn 50 år før andre organismer bryter plastpolymerene fullstendig ned.

Mange komplekse naturlige og syntetiske forbindelser brytes biologisk ned av mikrobielle konsortier og ikke av enkeltstammer, noe som sannsynligvis skyldes de begrensede metabolske evnene til de enkelte organismene. Man kan derfor anta at plastavfall, som er et av de største miljøproblemene det moderne samfunnet står overfor, kan brytes ned mer effektivt gjennom samarbeid mellom ulike grupper organismer. Biologisk nedbrytning av plast viser hovedsakelig til omdanning av polymermaterialer til biogass og biomasse uten luft, utført av anaerobe mikroorganismer som effektivt kan bruke polymerer som karbonkilde for vekst. Men plastens egenart og spesielle fysisk-kjemiske egenskaper hindrer biologisk nedbrytning og gjør den til et dårlig vekstsubstrat.

Biologisk nedbrytning av plastavfall begynner med enzymatisk spalting av polymerkjeden til forbindelser med lav molekylmasse, som oligomerer, dimerer og monomerer. Dette skjer ved at et enzym binder seg til polymeren og katalyserer, altså fremskynder, den hydrolytiske spaltingen ved hjelp av vann. Prosessen avsluttes med at disse forbindelsene med lav molekylmasse omdannes til karbondioksid og vann. Bakterier, sopp og alger beskrives som effektive organismer som kan bryte ned plastpolymerer.

Sopp spiller en nøkkelrolle i nedbrytningen av polymermaterialer. Soppens mycel kan effektivt trenge gjennom overflaten og dypt inn i materialet for å bryte ned mest mulig av dette substratet. Mycelet kan dessuten skille ut ekstracellulære enzymer, for eksempel depolymeraser, og spalte polymersubstratet til oligomerer, dimerer og monomerer, altså fragmenter med lav molekylmasse. Disse monomerene tas så opp av soppen og blir enten assimilert eller omdannet til karbondioksid og vann av dens intracellulære enzymsystem. I denne sammenhengen nevnes hvit- og brunråtesopp ofte som effektive nedbrytere av plastpolymerer.

På tilsvarende måte kan bakteriestammer bryte ned plastens polymerstoffer i forurenset vann eller jord. Flere studier har rapportert at biologisk nedbrytning av plast ved hjelp av spesialiserte bakterier kan være en lovende strategi for biologisk rensing av forurensede økosystemer. Bakteriestammer som Pseudomonas spp., Bacillus spp. og Streptomyces spp. viser høy effektivitet ved nedbrytning av ulike plastpolymerer. Uansett bryter sopp ned plast raskere enn bakteriestammer. På den andre siden rapporterer enkelte forfattere at bakterier er enklere å dyrke og bruke til å bryte ned polymermaterialer enn sopp, som krever mer stabile forhold.

Hittil har bare noen få studier rapportert om algearters evne til å redusere forurensning fra plastavfall. Observasjonen gjaldt trådalgers evne til å kolonisere overflaten av plastavfall takket være miljøfaktorer som sollys, næringsstoffer og vann, som er livsviktige for algenes vekst. Det er påvist at flere ufarlige og ugiftige algearter fra Bacillariophyceae, Chlorophyceae og Cyanophyceae kan vokse på polyetylenoverflater og danne algebiofilmer i ulike forurensede vannmiljøer, som dammer, innsjøer og avløpsvann. I denne forbindelse rapporterer forfatterne at Phormidium lucidum og Oscillatoria subbrevis, lett isolerbare og hurtigvoksende, ugiftige ferskvannscyanobakterier, kan danne kolonier på PE-overflater og effektivt bryte ned HDPE uten forbehandling.

Dessuten er enkelte bakterie- og sopparter, som Ideonella sakaiensis og Pestalotiopsis microspore, som brukes til å produsere enzymet PETase, dårlig tilpasset det marine miljøet, der det meste av plastavfallet hoper seg opp. Det er vist vellykket bruk av kiselalgen Phaeodactylum tricornutum som en mikrobiell fabrikk for produksjon av en videreutviklet PETase, som er aktiv mot PET og kopolymeren PETG, glykolmodifisert polyetylentereftalat.

Biologisk nedbrytning av polymerer er også bekreftet hos flere virvelløse dyr, som superormer av arten Zophobas atratus, tørrfruktmøllen Plodia interpunctella, den store voksmøllen Galleria mellonella, melbillelarver av arten Tenebrio molitor, den lille voksmøllen Achroia grisella, landsnegler (Achatina fulica), termitter og andre virvelløse dyr. Denne enestående evnen til å bryte ned plastpolymerer tilskrives vanligvis deres mikrobielle tarmsymbionter, ettersom det er med deres hjelp enkelte virvelløse dyr kan spise trevirke eller andre polymerforbindelser.

Plast har fått omfattende anvendelse på grunn av sine unike egenskaper og regnes derfor som et av de mest nødvendige materialene i livene våre. Likevel står plastavfallets skadevirkninger i forhold til bruken og opphopningen av det i miljøet. Plastmaterialenes egenskaper er dermed en stor utfordring for mikrobiell nedbrytning og til og med for kolonisering av overflaten. Mange forskere har dokumentert at flere mikroorganismer og virvelløse dyr deltar i biologisk nedbrytning av plast, noe som viser deres grunnleggende rolle i materialets biologiske nedbrytningsprosess.

På bakgrunn av dette understreker forskerne rollen og betydningen av fysisk og/eller kjemisk forbehandling av plastavfall som et første og viktig trinn, som ofte er en forutsetning for mikrobiell nedbrytning av plastpolymerer. Mikroorganismer, alger, plastspisende insekter og andre virvelløse dyr kan spille en viktig rolle i fremtidens biologiske nedbrytning av plast. Forskningen foreslår å utvikle en miljøvennlig, effektiv og rimelig teknologi for behandling og nedbrytning av plastavfall for å motvirke opphopningen av plastavfall i miljøet.

Kilder:

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.

Dette er en artikkel skrevet av en bruker. Informasjonen kan være unøyaktig eller utdatert.