Obecnie w wodach oceanów pływa ponad 250 000 ton odpadów z tworzyw sztucznych. Ocean Spokojny jest uznawany za najbardziej zanieczyszczony akwen półkuli północnej, natomiast na półkuli południowej Ocean Indyjski okazał się bardziej zanieczyszczony niż Spokojny i Atlantycki razem wzięte. Jednocześnie Ocean Spokojny jest opisywany jako najbardziej zanieczyszczony odpadami plastikowymi ocean na Ziemi. Zanieczyszczenia plastikowe przemieszczają się po wszystkich oceanach pod wpływem dominujących wiatrów i prądów. Wykazano to dla półkuli północnej, gdzie długotrwały, trwający kilka lat transport wody, a wraz z nią odpadów, prowadzi do gromadzenia się plastikowych śmieci w centralnych częściach basenów oceanicznych. Podobne prawidłowości stwierdzono we wszystkich oceanach półkuli południowej. Zaskakujące jest to, że całkowita ilość plastiku określona dla oceanów półkuli południowej mieści się w tym samym zakresie co dla oceanów półkuli północnej, mimo że na półkuli północnej źródeł dopływu plastiku jest znacznie więcej niż na południowej. Oznacza to, że wyroby z tworzyw sztucznych łatwiej przemieszczają się i rozprzestrzeniają między prądami oceanicznymi oraz między półkulami, niż wcześniej sądzono.

Jednak ostateczne miejsce, do którego trafia pływający mikroplastik, nie znajduje się na powierzchni oceanu. Obserwacje wskazujące, że na powierzchni morza jest znacznie mniej mikroplastiku, niż można by oczekiwać, świadczą o istnieniu procesów usuwających odpady plastikowe z powierzchni wody. Należą do nich degradacja pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, biodegradacja, połykanie przez organizmy, zmniejszanie wyporności wskutek porastania przez organizmy i opadanie na dno, a także wyrzucanie na brzeg.

Odpady z tworzyw sztucznych mogą ulegać rozkładowi (degradacji) w wyniku procesów fizykochemicznych (abiotycznych) lub biodegradacji (biotycznych). Niszczenie materiału polimerowego pod działaniem sił fizycznych o charakterze mechanicznym zwykle uznaje się za pierwszy etap, odgrywający kluczową rolę w każdym procesie degradacji. Degradacja tworzyw sztucznych w środowisku może zachodzić poprzez jeden z czterech głównych mechanizmów lub ich połączenie: fotodegradację, hydrolizę, degradację termooksydacyjną i biodegradację. W warunkach naturalnych (na przykład w środowisku morskim) degradacja zwykłych tworzyw sztucznych, takich jak polietylen niskociśnieniowy, polietylen wysokociśnieniowy i polipropylen (LDPE, HDPE, PP), rozpoczyna się od fotodegradacji (głównie pod wpływem promieniowania UV-B), a następnie przebiega przez termooksydację i, w mniejszym stopniu, rozkład pod wpływem wody — hydrolizę.

Nowe badanie opublikowane przez naukowców z Instytutu Oceanograficznego Woods Hole pokazuje, że polistyren (PS), jedno z najpowszechniejszych tworzyw sztucznych na świecie, pod wpływem światła słonecznego może rozkładać się w ciągu dziesięcioleci lub stuleci, a nie tysięcy lat, jak wcześniej sądzono. Częściowy rozkład polistyrenu następuje w zaledwie 10–50 lat, zależnie od rodzaju tworzywa. Jego całkowite utlenienie fotochemiczne jest natomiast możliwe w ciągu 300–450 lat. Światło słoneczne powoduje nie tylko fizyczne niszczenie tworzyw sztucznych, ale także ich rozkład chemiczny do rozpuszczonego węgla organicznego i niewielkiej ilości dwutlenku węgla trafiającego do atmosfery.

Procesy degradacji prowadzą do fragmentacji tworzyw sztucznych, czyli rozpadu na mniejsze kawałki, oraz do zmniejszenia masy cząsteczkowej polimerów. Te substancje o małej masie cząsteczkowej mogą następnie być metabolizowane przez mikroorganizmy. W każdym razie cały proces przebiega zwykle tak wolno, że całkowity rozkład polimerów tworzyw sztucznych przez inne organizmy może trwać ponad 50 lat.

Wiele złożonych związków naturalnych i syntetycznych ulega biodegradacji dzięki zespołom mikroorganizmów, a nie pojedynczym szczepom, co prawdopodobnie wynika z ograniczonych możliwości metabolicznych poszczególnych organizmów. Można więc przypuszczać, że odpady plastikowe, będące jednym z głównych problemów środowiskowych współczesnego społeczeństwa, mogą być skuteczniej rozkładane przez współdziałające różne grupy organizmów. Biodegradacja tworzyw sztucznych polega przede wszystkim na przekształcaniu materiałów polimerowych w biogaz i biomasę bez dostępu powietrza przez mikroorganizmy beztlenowe, które mogą skutecznie wykorzystywać polimery jako źródło węgla do wzrostu. Jednak sama natura tworzyw sztucznych oraz ich szczególne właściwości fizykochemiczne utrudniają biodegradację, czyniąc je słabym podłożem do wzrostu.

Biodegradacja odpadów plastikowych zaczyna się od enzymatycznego rozszczepiania łańcucha polimerowego na związki o małej masie cząsteczkowej, takie jak oligomery, dimery i monomery. Zachodzi to poprzez wiązanie enzymu z polimerem i katalizowanie (przyspieszanie) jego rozszczepiania hydrolitycznego (przez wodę). Proces kończy się przekształceniem tych związków małocząsteczkowych w dwutlenek węgla i wodę. Według doniesień bakterie, grzyby i glony są organizmami skutecznie rozkładającymi polimery tworzyw sztucznych.

Grzyby odgrywają kluczową rolę w degradacji materiałów polimerowych. Grzybnia może skutecznie przenikać przez ich powierzchnię w głąb masy, aby rozłożyć jak największą ilość tego substratu. Ponadto grzybnia może wydzielać enzymy zewnątrzkomórkowe (na przykład depolimerazy) i rozszczepiać substrat polimerowy na oligomery, dimery i monomery, czyli fragmenty o małej masie cząsteczkowej. Następnie monomery te są wchłaniane przez grzyby i albo przyswajane, albo przekształcane w dwutlenek węgla i wodę przez ich wewnątrzkomórkowy układ enzymatyczny. Z tego względu grzyby powodujące białą i brunatną zgniliznę często wymienia się jako skutecznych sprawców rozkładu polimerowych tworzyw sztucznych.

Podobnie szczepy bakterii mogą rozkładać polimerowe substancje tworzyw sztucznych w zanieczyszczonej wodzie lub glebie. W wielu badaniach wskazano, że biodegradacja plastiku przez wyspecjalizowane bakterie może być obiecującą strategią bioremediacji zanieczyszczonych ekosystemów. Szczepy bakterii takie jak Pseudomonas spp., Bacillus spp. i Streptomyces spp. wykazują wysoką skuteczność degradacji różnych polimerów tworzyw sztucznych. W każdym razie tempo degradacji tworzyw przez grzyby przewyższa tempo osiągane przez szczepy bakterii. Z drugiej strony niektórzy autorzy donoszą, że bakterie łatwiej hodować i wykorzystywać do rozkładu materiałów polimerowych niż grzyby, które wymagają bardziej stabilnych warunków.

Dotychczas tylko w kilku badaniach opisano zdolność gatunków glonów do ograniczania zanieczyszczenia odpadami plastikowymi. Obserwacja ta dotyczyła zdolności glonów nitkowatych do zasiedlania powierzchni odpadów plastikowych dzięki obecności czynników środowiskowych, takich jak światło słoneczne, substancje odżywcze i woda, niezbędnych do wzrostu glonów. Ustalono, że kilka niegroźnych i nietoksycznych gatunków glonów z grup Bacillariophyceae, Chlorophyceae i Cyanophyceae potrafi porastać powierzchnie polietylenowe i tworzyć biofilmy glonowe w różnych zanieczyszczonych środowiskach wodnych, takich jak stawy, jeziora i ścieki. W związku z tym autorzy podają, że łatwe do wyizolowania i szybko rosnące Phormidium lucidum oraz Oscillatoria subbrevis (słodkowodne nietoksyczne sinice) mogą tworzyć kolonie na powierzchni PE i skutecznie rozkładać HDPE bez wstępnej obróbki.

Ponadto niektóre gatunki bakterii i grzybów, takie jak Ideonella sakaiensis i Pestalotiopsis microspore, wykorzystywane do otrzymywania enzymu PETase, słabo przystosowują się do środowiska morskiego, gdzie gromadzi się większość odpadów plastikowych. Wykazano skuteczne wykorzystanie okrzemki Phaeodactylum tricornutum jako fabryki mikrobiologicznej do produkcji udoskonalonej PETase, aktywnej wobec PET i kopolimeru PETG (politereftalanu etylenu modyfikowanego glikolem).

Potwierdzono także biodegradację polimerów przez kilka bezkręgowców, takich jak drewnojady Zophobas atratus, omacnica spichrzanka Plodia interpunctella, barciak większy Galleria mellonella, larwy mącznika młynarka Tenebrio molitor, barciak mniejszy Achroia grisella, ślimaki lądowe (Achatina fulica), termity i inne bezkręgowce. Tak wyjątkową aktywność w rozkładzie polimerów tworzyw sztucznych zwykle przypisuje się ich symbiotycznym mikroorganizmom jelitowym, ponieważ to dzięki nim niektóre gatunki bezkręgowców mogą odżywiać się drewnem lub innymi związkami polimerowymi.

Tworzywa sztuczne znalazły szerokie zastosowanie dzięki swoim wyjątkowym właściwościom i dlatego są uznawane za jedne z najbardziej potrzebnych materiałów w naszym życiu. Szkodliwe oddziaływanie odpadów plastikowych jest jednak proporcjonalne do ich wykorzystania i gromadzenia się w środowisku. Właściwości materiałów plastikowych stanowią zatem poważne wyzwanie dla ich rozkładu przez mikroorganizmy, a nawet dla zasiedlania ich powierzchni. Wielu badaczy odnotowało udział różnych mikroorganizmów i bezkręgowców w biodegradacji plastiku, co świadczy o ich fundamentalnej roli w procesie biodegradacji tego materiału.

Na tej podstawie naukowcy podkreślają rolę i znaczenie wstępnej obróbki odpadów plastikowych (fizycznej i/lub chemicznej) jako pierwszego i ważnego kroku, który często jest warunkiem mikrobiologicznej degradacji polimerów tworzyw sztucznych. Mikroorganizmy, glony, owady żywiące się plastikiem i inne bezkręgowce mogą w przyszłości odegrać ważną rolę w biodegradacji plastiku. Badania proponują opracowanie przyjaznej środowisku, skutecznej i niedrogiej technologii zagospodarowania oraz rozkładu odpadów plastikowych, aby przeciwdziałać ich gromadzeniu się w środowisku.

Źródła:

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.

Ten artykuł został napisany przez użytkownika. Informacje mogą być niedokładne lub nieaktualne.