رویکردی بر تجزیه پلیمری از طریق میکروب ها
بی اثر بودن، استفاده بی رویه از پلاستیک و همچنین مشکلات روز افزاون آلودگی آب و زمین به نگرانی های ناشی از زباله های پلاستیکی دامن زده است. این مقاله امکان تجزیه پلاستیک توسط میکروب های خاک جنگل و لجن موتور اتومبیل را بررسی می کند. تخریب درون تنی با قرار دادن 1 گرم از هر پلاستیک و مدفون کردن زیر خاک جنگل و لجن موتور اتومبیل در عمق 15 سانتیمتری از سطح زمین بین ماه های سپتامبر تا فوریه 2011-2010 مورد بررسی قرار گرفت. قبل از آزمایش، نمونه های پلاستیک جمع آوری شده و میکروب ها از سطح آنها جدا شدند. سپس میکروب های جدا شده در محیط بورک بدون منبع کربن در دو مجموعه، یکی با پلاستیک و دیگری با پلی اتیلن گلیکول (PEG) انکوباسیون شدند. نتایج بدست آمده نشان داد که هیچ گونۀ پلاستیکی نمی تواند با دفن شدن در زیر زمین در طی 6 ماه به راحتی تجزیه شود. اما نتایج جالبی از میکروسکوپ الکترون روبشی (SEM) ثبت شد. غربالگری اولیه قابلیت زیست تخریب پذیری با اسپکتروسکوپی FTIR برای تغییرات سطح انجام شد. مجددآ تخریب PEG توسط میکروب ها به وضوح وجود آنها را در محیط مذکور نشان می دهد؛ با این حال، میتوان حدس زد که میکروب ها پتانسیل کافی برای تجزیه پلاستیک در زمان معینی را دارند.
پلاستیک مفیدترین مادۀ مصنوعی "ساخت دست بشر" است که از عناصر استخراج شده از منابع سوخت فسیلی تشکیل شده است. پلاستیک زمینه را برای انقلاب های صنعتی و تکنولوژیکی در قرن های 19 و 20 را فراهم ساخته است. در طی 30 سال گذشته، مواد پلاستیکی به دلیل خواصی من جمله وزن سبک، هزینه کم، دوام بالا و نسبتآ نشکن بودن کاربرد گسترده ای در صنایع غذایی، پوشاک، مسکن، حمل و نقل، ساختمان، پزشکی و صنایع تفریحی داشته اند. میزان کلی تولید زباله های پلاستیکی در سراسر جهان سالانه حدود 57 میلیون تن است. پلاستیک ها به دلیل جرم مولکولی بیش از حد، حلقه های آروماتیک زیاد، پیوندهای غیرمعمول یا جایگزینی هالوژن به راحتی در محیط تجزیه نمی شوند زیرا در برابر حملۀ میکروبی مقاوم هستند. در نتیجه، آنها برای مدت طولانی بدون هیچ گونه تخریبی در محیط می مانند و انباشت زباله های پلاستیکی در بیوسفر باعث آلودگی شدید زیست محیطی می شود. به همین دلیل، نگرانی از این مشکلات زیست محیطی مدیریت پسماند جامد را بسیار مورد توجه قرار داده است. پلیمرها مجموعه وسیعی از مواد هستند که از واحدهای تکراری مولکول های کوچکتر به نام مونومر ساخته می شوند. پلیمرها می توانند منشأ طبیعی داشته باشند مانند لینگنین شاخه های درخت، نشاستۀ نان خانگی یا کیتین در پوسته شاه میگو. دیگر پلیمرها مصنوعی خوانده می شوند زیر توسط انسان از مواد طبیعی ساخته شده اند. بیشتر پلیمرها برای عبور از غشاهای سلولی بیش از حد بزرگ هستند؛ بنابراین قبل از جذب و تجزیه زیستی در سلول های میکروبی، ابتدا باید به مونومرهای کوچک تبدیل شوند. تجزیه اولیه پلیمر می تواند ناشی از انواع نیروهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی باشد. تحقیقات قابل ملاحظه ای در حوزه توسعه پلاستیک های زیست تخریب پذیر و همچنین تجزیه پلاستیک های موجود با استفاده از میکروارگانیسم ها صورت گرفته است. از آنجایی که میکروارگانیسم ها قادر به تجزیه بیشتر مواد آلی و معدنی همچون لینگنین، نشاسته، سلولز و همی سلولز هستند؛ علاقه زیادی به تجزیه میکروبی در پسماندهای پلاستیکی و پلی اتیلن دارند. کامبا و همکاران در سال 1995 بعد از جداسازی باکتری خاک، به این نتیجه رسیدند که از پلی استر پلی یورتان میتوان بعنوان تنها منبع کربن و نیتروژن استفاده کرد.
تحقیقات اخیر نشان داده است که تنوع بالای میکروارگانیسم های موجود در خاک حرا می تواند پلاستیک ها را هر چند با سرعت کمتری تجزیه کند. همچنین رشد بسیاری از قارچ ها با نفوذ به مواد جامد پلیمری باعث باد کردن و ترکیدن جزیی پلاستیک می شوند. وب و همکاران در سال 2000 کلونیزاسیون قارچی و تجزیه زیستی پلی وینیل کلرید (PVC) نرم شده را در شرایط درجا مورد بررسی قرار دادند. میکروارگانیسم ها با ترشح انواع مختلفی از آنزیم ها در آب خاک شروع به تجزیه پلیمرها می کنند. دو نوع آنزیم در این فرایند دخیل هستند؛ دی پلیمرازهای درون سلولی و خارج سلولی. ابتدا اگزوآنزیم های میکروارگانیسم ها پلیمرهای پیچیده را تجزیه کرده و زنجیره های کوتاه یا مونومرهایی را تشکیل می دهند که به اندازه کافی کوچک هستند تا از دیواره سلولی نفوذ کنند و بعنوان منابع کربن و انرژی مورد استفاده قرار گیرند. این فرایند پلیمریزاسیون نامیده می شود. اگر محصول نهایی دی اکسید کربن، آب یا متان باشد این فرایند مینرالیزاسیون نامیده می شود. در این مقاله سعی شده است تا به بررسی تجزیه طبیعی پلاستیک در زیر خاک جنگل و لجن موتور اتومبیل و همچنین جداسازی میکروارگانیسم های بالقوه از خاک جنگل و لجن موتور اتومبیل پرداخته شود.
انکوباسیون نمونه پلاستیکی زیر خاک جنگل و لجن موتور اتومبیل به مدت 6 ماه نشان می دهد که میکروب ها قادر به تجزیه پلاستیک در شرایط طبیعی نیستند. مشاهدات مشابهی توسط کاترین سان ثبت شد. نتیجۀ انکوباسیون میکروب های جدا شده از خاک جنگل و لجن موتور اتومبیل در محیط بورک با PEG بعنوان منبع کربن نشان می دهد که میکروب های هر دو منبع در محیط PEG زنده بودند. بنابراین، ممکن است این فرضیه وجود داشته باشد که از آنجایی که هیچ منبع کربن دیگری به جزء PEG وجود ندارد، میکروب ها ممکن است کربن مورد نیاز خود را با شکستن زنجیره کربن PEG بدست آورند. پس از انکوباسیون، زنده ماندن میکروب ها به مدت 30 روز در محیط بورک (بدون ساکاروز) حاوی پلاستیک بعنوان منبع کربن مورد آزمایش قرار گرفتند. پس از آزمایش، مشخص شد که میکروب ها در محیطی که تنها حاوی پلاستیک بعنوان منبع کربن باشد زنده می مانند.
تجزیه پلاستیک در خاک جنگل نشان می دهد که پس از 180 روز انکوباسیون، تغیر چشمگیری در سطح و جرم صورت نمی گیرد. نتایج مشابهی از نمونه جمع آوری شده از لجن موتور اتومبیل نیز ثبت شد. علاوه براین، آزمایش زنده ماندن پس از 30 روز انکوباسیون و زنده ماندن میکروب های جدا شده در محیط PEG نشان داد که میکروب ها در محیط زنده می مانند. همچنین تصاویر SEM ساختار حفره مانند روی سطح پلاستیک را نشان می دهند و اینکه تعدادی میکروب روی سطح پلاستیک وجود دارد. با این تفاسیر، میتوان این فرضیه را مطرح کرد که این میکروب ها ممکن است قدرت کافی برای تجزیه مواد پلاستیکی را در مدت زمان معین داشته باشند زیرا PEG و پلاستیک هر دو پلیمر هستند. بنابراین، برای تأیید این فرضیه، انجام مطالعات بیشتر و گسترده تر ضرورت دارد.
