پلیمرهای مختلف پلاستیک از 150حدود  سال پیش تاکنون به‌عنوان جایگزینی برای مواد مختلف ازجمله چوب،شیشه و فلزات توسعه  پیداکرده و مورداستفاده قرار می‌گیرند.پلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر نیست و این ویژگی باعث شده که به‌عنوان خطری برای محیط‌زیست تلقی شود پلاستیک‌ها خاک و آب را آلوده کرده وزندگی جانداران را به خطر می‌اندازند.پلاستیک‌ها به‌ویژه در فرم میکرو پلاستیک باعث مسمومیت موجودات دریایی می‌شوند و روش‌های فعلی از بین بردن این زباله‌ها شامل سوزاندن و دفن کردن با هزینه‌های سنگین همراه است و بار بیشتری را بر محیط‌زیست وارد می‌کند.

کاربرد پلاستیک

پلاستیک‌های سنتتیک به‌طور عمده به دو گروه تقسیم می‌شوند ترموست ها(پلیمرهای گرماسخت) و ترموپلاستیک‌ها(پلاستیک‌های حرارتی) ترموپلاستیک‌ها پلاستیک‌هایی هستند که ساختار شیمیایی آن‌ها با گرما و ذوب شدن تغییر نمی‌کند مانند پلی‌اتیلن(PE) و پلی ونیل کلرید (PVC)  اسکلت کربنی ترموپلاستیک‌ها آن‌ها را تجزیه ناپذیر کرده است.ترموست ها برخلاف ترموپلاستیک‌ها در صورت ذوب شدن دچار تغییر ساختار شیمیایی می‌شوند و اسکلت کربنی آن‌ها هم حساس‌تر و بیشتر مستعد تجزیه‌پذیری است. ترموست های رایج  رزین اپوکسی ها، پلی یوریتان(PU)و آکریلیک رزین ها هستند.میکروارگانیسم ها می‌توانند با توانایی تخریب و تجزیه پلاستیک به کمک آنزیم‌هایشان نقش مهمی را ایفا کنند و از انباشته شدن مواد مختلف در محیط‌زیست جلوگیری کنند.

میکروارگانیسم های شکننده ی پلاستیک ها

 

جلبک‌ها،باکتری‌ها و قارچ‌ها ازجمله میکروارگانیسم‌هایی هستند که امروزه با پیشرفت بیوتکنولوژی برای تجزیه و تخریب زیستی به کار می‌روند.

میکروب‌ها از طریق واکنش‌های مختلف شیمیایی ترکیبات مختلف را به ترکیبات ساده‌تر تجزیه می‌کنند تجزیه زیستی پلیمرهای پلاستیک را می‌توان با روش‌های فیزیکی مشاهده کرد برای مثال تغییر پلیمر هارا  با کاهش وزن مولکولی از دست دادن مقاومت مکانیکی و تغییرات خواص سطحی می‌توان مشاهده کرد.هدف از تجزیه زیستی تبدیل ماده به زباله‌های غیر سمی یا تبدیل به مواد با جرم مولکولی پایین‌تر است تا بتوانند به چرخه بیوشیمیایی زمین برگردند.همه تجزیه‌های زیستی پلاستیک‌ها را می‌توان در  واکنش‌های جذب و ترکیب، کانی سازی، biodeterioration  و biofragmentation  قرارداد که همه این فرایندها با فعالیت‌های آنزیمی و شکست پیوندها انجام می‌گیرند.

 

مراحل تخریب پلاستیک توسط باکتری ها

 

تخریب و تجزیه زیستی ناشی از اعمال میکروب‌ها یا سایر عوامل زیستی است که منجر به تجزیه سطحی پلیمرهای پلاستیک و تغییر شیمیایی و فیزیکی در آن‌ها می‌شود به‌طوری‌که مواد حاصل از تجزیه دیگر در محیط قابل‌استفاده برای ارگانیسم‌های مختلف باشند و مشکل زیست‌محیطی ایجاد نکنند.تجزیه زیستی با شرایط نور و دمای محیط می‌تواند افزایش پیدا کند .پلاستیک‌ها به‌طور طبیعی آب‌گریز هستند پس عمل میکروب‌ها در جهت واردکردن گروه‌های عاملی آب‌دوست به پلیمر و تشکیل بیوفیلم ها برای افزایش سطح تعامل پلیمر با میکروب‌ها لازم است.

biofragmentation  شامل تجزیه پلیمر ها با اثر آنزیم‌ها و رادیکال‌ها آزاد و تبدیل‌شدن به واحدهای کوچک‌تر است.پس‌ازآن مشتقات پلاستیک به داخل سلول‌ها منتقل‌شده و تحت یک سری واکنش‌های آنزیمی قرار می‌گیرند.برای نمونه پس از تجزیه پلی‌اتیلن  و تبدیل مشتقات آن به استیک اسید این مولکول وارد چرخه کربس شده و فرایند کانی سازی صورت می‌پذیرد یا به شکل‌های دیگر مولکول‌های سوکسینات و...کانی سازی نهایی در این فرایندها تولید CO2 و H2O است.

جلبک‌های متعدد فتوسنتز کننده و هتروترف به دلیل نقش‌های مهمی که در زیست پالایی دارند موردمطالعه قرارگرفته‌اند.برای نمونه جلبک Spirulina sp قادر به تخریب زیستی PE بوده است.البته میزان تخریب زیستی جلبک‌ها بسیار کمتر از باکتری‌ها و قارچ‌ها بوده است که این مورد مطلوب نیست.باکتری‌ها از سویی دیگر پتانسیل قابل‌توجهی برای تخریب پلیمرهای زیستی دارند و حتی در محل‌های دفن زباله‌ها مشاهده‌شده‌اند مطالعات نشان داده‌اند که باکتری‌ها با توجه به داشتن ظرفیت طبیعی تخریب اسیدهای چرب بلند زنجیر در تخریب پلیمرهای پلاستیک هم توانا هستند.باکتری‌هایی مانند Bacillus megaterium توانایی خوبی در زیست پالایی دارند.

قارچ‌ها همراه با باکتری‌ها بیشترین نقش را در چرخه‌های بیوشیمیایی در زمین‌دارند.پتانسیل قارچ‌ها در تجزیه زیستی موردمطالعه قرارگرفته و جنس Aspergillus یکی از برجسته‌ترین گروه در تجزیه زیستی پلاستیک‌ها به شمار می‌رود.گونه‌های مختلف آسپرژیلوس از مکآن‌های مختلف توانسته‌اند PE و PUرا در محیط کاهش دهند.

آنزیم‌های دخیل در تجزیه زیستی پلاستیک به دسته داخل و خارج سلولی تقسیم می‌شوند البته بیشترین توجه روی آنزیم‌ها خارج سلولی بوده که واکنش‌های اکسیداتیو انجام می‌دهند و پلیمرهای بزرگ کربنی را هیدرولیز می‌کنند.زنجیرهای کربنی پلاستیک‌ها بسیار متنوع هستند و با توجه به تفاوت آن‌ها گروه‌های مختلفی از آنزیم‌های پراکسیداز، استئاراز و کوتیناز دخیل در زیست پالایی پلاستیک‌ها هستند.

آنزیم‌های تجزیه‌کننده بر اساس نوع پلیمری که تجزیه می‌کنند تقسیم‌بندی شده‌اند برای مثال آنزیم‌های تجزیه‌کننده پلی‌اتیلن که از باکتری‌ها و قارچ‌ها استخراج‌شده‌اند شامل هیدروکسیلاز ها لاکاز ها پراکسیداز ها و ردوکتاز ها می باشند..آنزیم منگنز پراکسیداز آنزیم مهم تجزیه‌کننده پلی‌اتیلن است از دو قارچ  Phanerochaete chrysosporium  و  Trarnetes versicolorاستخراج‌شده است.همچنین آنزیم‌های مختلف استئاراز لیپاز لاکاز پراکسیداز و پروتئاز باکتریایی و قارچی شناسایی شده‌اند که توانایی تخریب PU  را دارند.

میکروارگانیسم ها و آنزیم های ثبت شده تجاری برای تخریب پلاستیک ها

مطالعات مختلف بر روی پتانسیل‌های میکروب‌ها در تجزیه زیستی نشان می دهد که در زیستگاه های مختلف طبیعی تنوع بالای این میکروارگانیسم ها وجود ندارد و همچنین هیچ مخمری که به‌طور طبیعی توانایی زیست پالایی مقدار قابل‌توجهی پلیمر پلاستیک را داشته باشد تاکنون کشف نشده است.اعتقاد بر این است که استفاده هم‌زمان از چند میکروارگانیسم مختلف و تکنیک های متفاوت مهندسی ژنتیک ،شناخت عملکرد دقیق آنزیم‌های مختلف ارگانیسم ها و اثر آن‌ها در چرخه‌های زیست پالایی می‌توانند کمک کننده در این امر باشد با توجه به پتانسیل‌های بالای میکروب‌ها و سازگاری مداوم آن‌ها انتظار می‌رود که در آینده به نتایج سودمندی در  بهبود و توسعه فرایندهای تخریب زیستی در مقیاس تجاری برسیم. حرکت به این سو با استفاده از آنالیز داده های متاژنومیکس از محیط های حاوی باکتری های تخریب کننده پلاستیک ها و یافتن آنزیم های مناسب برای این منظور و سپس مهندسی ژنتیک این آنزیم ها برای بهینه کردن کارایی آن ها و تولید آن ها به صورت صنعتی صورت می گیرد. این موضوع یکی از تحقیقات در حال انجام در حوزه ی بیوانفورماتیک، مهندسی ژنتیک و مهندسی متابولیک می باشد.