کاربرد لاکاز تولید شده از اکتینومایست دریایی در تسریع نرخ تجزیه بیولوژیکی پلی اتیلن
اگرچه پلاستیک در زندگی مدرن نقش بسیار مفیدی دارد اما استفاده گسترده از آن می‌تواند پایداری انسان را مختل کند. مدیریت نادرست زباله‌های پلاستیکی باعث انتشار گازهای گلخانه‌ای و زباله‌های مضر می‌شود. پلاستیک و محصولات جانبی مرتبط با آن مانند میکروپلاستیک‌ها در خشکی و اقیانوس‌ها تجمع کرده و باعث سلامت انسان و محیط زیست را تهدید می‌کنند. روش پلیمریزاسیون بیوکاتالیستی آنزیمی به عنوان یک راهکار زیست سازگار برای مدیریت کارآمد حجم زیادی از زباله‌ها در سراسر جهان ایجاد شده است. نقش اکتینومیست ها در فرایندهای تجزیه زیستی کمتر مورد بررسی قرار می‌گیرند اما از آنجایی که بخش قابل توجهی از خاک و فلور آبزی را تشکیل می‌دهند و همچنین به دلیل قابلیت آنها در تجزیه مواد پیچیده بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. این مطالعه به بررسی لاکاز تولید شده از اکتینومیست‌های دریایی و امکان تسریع در سرعت تجزیه زیستی پلی اتیلن با استفاده از آنزیم لاکاز می‌پردازد. نرخ تجزیه زیستی در مواد تست پلی اتیلن تیمار شده با آنزیم لاکاز به مدت 30 روز 9.36 درصد ثبت شده که شش برابر بیشتر از نرخ تیمار نشده بود. تغییر در ساختار شیمیایی پلی اتیلن با استفاده از طیف سنجی تبدیل فوریه مورد مطالعه قرار گرفت. شاخص کربونیل ماده آزمایشی پلی اتیلن پس از تیمار با آنزیم لاکاز به 1.25 افزایش یافت که نشان دهنده پلیمر اکسید شده است و بررسی‌ها پس از تجزیه زیستی نشان داد که شاخص کربونیل به 0.66 کاهش یافته است که اثبات می‌کند پلیمر اکسید شده توسط میکروارگانیسم ها استفاده شده است. A-09 ایزوله تولید کننده لاکاز 99 درصد هویت را به عنوان استرپتومایسس براساس نشانگر مولکولی نشان داد.
پلاستیک‌ها موادی هستند که به طور مصنوعی از طیف وسیعی از پلیمرهای آلی مانند پلی اتیلن، PVC، نایلون وغیره سنتز می‌شوند. این مواد به طور گسترده در سراسر جهان استفاده شده و در جوامع مدرن از اهمیت بالایی برخوردار هستند. پرمصرف ترین پلاستیک‌ها در آسیای جنوب شرقی پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی پروپیلن (PP)، پلی استایرن (PS) و پلی اتیلن (PE) هستند. آسیا و اقیانوسیه ازلحاظ موقعیت جغرافیایی در سال 2017 بیشترین سهم را تا 49.3 درصد را در بازار با تولید سالانه بیش از 50 میلیون تن رزین پلی اتیلن داشتند. پلی اتیلن به سه شکل اصلی تولید می شود: پلی اتیلن سبک (LDPE) (< 0.930 g/cm3)، پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE) (ca. 0.915 - 0.940 g/cm3) و پلی اتیلن سنگین (HDPE) (ca. 0.940 - 0.965 g/cm3). HDPE و LDPE زنجیره‌های بلند پلیمری اتیلن با طبیعت همه کاره مانند وزن سبک، قیمت پایین، بادوام و انرژی کارآمد هستند و به راحتی نیز قابل پردازش می‌باشند. از این رو، آنها به طور گسترده در صنایع بسته بندی استفاده می شوند. LDPE یا LLDPE برای بسته بندی فیلم (فیلم‌های چسبناک، آستر پاکت شیر، فیلم‌های کششی، بطری‌های فشرده، جعبه‌های غذا وغیره)، پوشش کابل و تجهیزات الکترونیکی کاربرد دارند. HDPE که به صورت دمنده قالب گیری می‌شود، در ساخت سطل زباله، جعبه، مواد شیمیایی خانگی مانند مواد شوینده بطری، بسته بندی مواد غذایی و کیسه‌های خرید میوه‌های خشک و ادویه جات، لوله‌های آب و بشکه برای مصارف صنعتی استفاده می شود. مواد بسته بندی به دلیل استفاده از حجم زیادی از ضایعات پلاستیکی در ساخت آنها، عمر خدمات بسیار کوتاهی (معمولا حدود 6 ماه یا کمتر) دارند. به طور کلی، HDPE به دلیل ماندگاری بالا و پس از تجزیه به ذرات کوچک توسط عوامل بیرونی به صورت زیستی در اکوسیستم و موجودات زنده تجمع می‌یابد.
روش‌های شیمیایی و فیزیکی برای دفع این مواد پلاستیکی بسیار پرهزینه بوده و ایجاد آلاینده‌های آلی پایدار (POP) معروف به فوران‌ها و دیوکسین‌ها را به همراه دارد. این آلاینده‌ها گزارش شده است که باعث تحریکات سمی در محصولات شده و درنتیجه منجر به ناباروری خاک، جلوگیری از تجزیه طبیعی دیگر مواد و کاهش کیفیت منابع آب زیرزمینی می‌شوند. سالانه دست کم 14 میلیون تن پلاستیک وارد اقیانوس می‌شود که حدود 80 درصد از کل زباله‌های موجود در آب‌های سطحی تا اعماق دریاها را شامل می‌شود. زباله‌های پلاستیکی توسط موجودات دریایی بلعیده شده و یا درمیان آنها گرفتار شده و باعث جراحت و مرگ آنها می شود. علاوه براین، سوزاندن پلاستیک‌های جمع آوری شده باعث انتشار بیش از حد دی اکسید کربن می‌شود که می تواند به گرم شدن جهانی و تغییرات آب و هوایی منجر شود. نگرانی‌های محیطی از انباشت چنین پلاستیک‌هایی محققان را به جستجوی راهکارهایی برای حل مشکل سوق داده است. به منظور کاهش خطرات زیست محیطی ناشی از زباله‌های بسته بندی به فناوری های پایدار و اقتصادی نیاز است.
اگرچه استفاده از مواد زیست تخریب پذیر در صنایع بسته بندی روبه رشد است، اما کاربرد مطلوبی نداشته و به وفور در دسترس جامعه نیستند. میکروارگانیسم‌هایی که می‌توانند آنزیم تجزیه ترشح کنند، معمولا زمانی که بر روی سطح پلاستیک قرار می‌گیرند باعث تجزیه زیستی پلاستیک می شوند. در فرایند تجزیه زیستی، میکروارگانیسم‌ها با ترشح آنزیم‌های تجزیه کننده پلی اتیلن به این فرایند کمک می کنند که زنجیره‌های پلیمری پلی اتیلن را به قطعات کوچکتر تبدیل کرده و درنهایت، از این قطعات کوچکتر در فرآورده‌های جانبی مانند دی اکسید کربن و آب استفاده می کند. این آنزیم‌ها عمدتا شامل لاکاز، لیپاز یا دهیدروژناز می شوند که به لایه پلیمر حمله می‌کند. درنتیجه، پلیمر به مولکول‌های کوچکتر (مانند الیگومرها، دایمرها و مونومرها) شکسته می‌شود که متابولیسم میکروبی را به دی اکسید کربن یا آب تبدیل می‌کنند. فرایندهای میکروبی، درمقایسه با تکنیک معمولی، بیشتر با محیط زیست سازگار هستند. باکتری‌ها بعد از چسبندگی اولیه به سطوح مواد می‌توانند ایجاد بیوفیلم های بزرگی را ایجاد کرده و سپس ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی فیلم های پلیمری مانند تغییر در عملکرد گروه‌ها، آبگریزی/آب دوستی، بلورینگی، مورفولوژی سطح و توزیع وزن مولکولی را تغییر می‌دهند. مشاهده شده است که پس از چسبیدن میکروارگانیسم به سطح، آب دوستی سطوح فیلم افزایش می‌یابد.
جمع بندی و نتیجه گیری
این مطالعه نشان می‌دهد که فعالیت میکروبی آنزیمی نقش حیاتی در تجزیه پلی اتیلن دارد. تغییر در ساختار ماده شیمیایی مانند بریدگی پیوند، دگرگونی شیمیایی، شکل گیری و ناپدید شدن هر گروه عملکردی پلی اتیلن پس از عمل آنزیمی به کمک آنالیز FTIR تعیین شد. با افزایش نرخ تجزیه زیستی با گذشت زمان، پیک‌ها به صورت مونومر و اکسیداتیو بیشتر گسترش یافته و تشکیل شدند. نرخ تجزیه زیستی در مواد آزمایشی PE تیمار شده با آنزیم لاکاز به مدت 60 روز شش برابر بالاتر از نمونه تیمار نشده بود. پس از 180 روز، نرخ تجزیه زیستی در مواد آزمایشی پلی اتیلن تیمار شده با لاکاز 9.36 درصد ثبت شد درحالی که این رقم در نمونه تیمار نشده تنها 1.48 درصد بود. از مواد مرجع (سلولز) برای تایید تلقیح استفاده شد و با این حال، نرخ تجزیه زیستی درطی 180 روز به 91.36 درصد رسید. تجزیه زیستی بدون هیچ گونه فتواکسیداسیون یا تیمار شیمیایی بالا بود که امکان تشکیل میکروپلاستیک ها را نشان می‌دهد. این یافته های به دست آمده از تحقیقات گسترده درمورد تجزیه زیستی پلی اتیلن با استفاده از گونه‌های مختلف میکروبی و سیستم‌هایی با واسطه آنزیم ها حمایت می کنند. بنابراین داده حاصل از این تحقیق اثبات می کند که آنزیم لاکاز نقش مهمی در بهبود فرایند تجزیه زیستی پلی اتیلن دارد و می‌تواند در مقیاس بزرگ، برای تصفیه زباله‌های پلاستیکی قبل از رها شدن در طبیعت استفاده شود. یک راه حل زیست سازگار می‌تواند راه حل پایداری برای مدیریت زباله‌های پلاستیکی در سراسر جهان در آینده باشد.
