חיידקים מפרקי פלסטיק - אלכס סיון

 

חיידקי קרקע המסוגלים לפרק פוליאתילן עשויים לסייע בפירוק פסולת פלסטיק

פסולת פלסטיק של פולימרים סינתטיים בעלי משקל מולקולרי גבוה אשר אינם פריקים ביולוגית (Non-bodegradablc) מצטברת בסביבה ומהווה גורם סיכון אקולוגי גובר והולך. המקור העיקרי של פסולת הפלסטיק הוא הפוליאתילן, המשמש בחקלאות האינטנסיבית בעיקר לחיפוי קרקע ולחממות. על פי הערכות המשרד לאיכות הסביבה התצרוכת השנתית של יריעות פוליאתילן היא כ-20,000 טונה. אולם, כמות הפסולת של יריעות הפוליאתילן הממוחזרת מדי שנה היא רק כ-15% מהתצרוכת השנתית. כיום אין שיטות לפירוק יעיל של פוליאתילן, ,לכן הכמות של פסולת הפלסטיק גדלה מדי שנה ומהווה מפגע סביבתי. בהיעדר שיטות פירוק או פינוי מתאימות, שאריות הפוליאתילן נטמנות בקרקע או נשרפות תוך גרימת זיהום אוויר חמור.

לאחרונה בודדו, במעבדת עורכי המחקר מספר חיידקי קרקע, המסוגלים לגדול על פוליאתילן כמקור פחמן יחיד ולגרום לפירוק חלקי של הפולימר. איפיון חיידקים אלה ולימוד מנגנון הפירוק עשויים להוביל לפיתוח שיטה חדשנית וידידותית לסביבה - לפירוק ביולוגי מבוקר של פסולת פוליאתילן.

תמונה 1: ביודגרדציה של פוליאתילן שהודגר במצע סינתטי עם חיידקי קרקע למשך 5 שבועות (א)
בהשוואה לפוליאתילן שהודגר באותו המצע ללא תוספת חיידקים (ב).
החיידקים השתמשו בפוליאתילן כמקור פחמן יחיד, גרמו להתפוררותו ולירידה במשקלו בשיעור של כ-15%.

הפוליאתילן כמזהם סביבתי

בשלושת העשורים האחרונים תפסו מוצרי פלסטיק בלתי מתכלים את מקומם של מוצרים מתכלים רבים בשימוש הביתי, התעשייתי והחקלאי. החדירה של חומרי הפלסטיק לשווקים הללו גרמה לעלייה משמעותית בכמות ובמגוון של מוצרי הפלסטיק בהשואה לחומרים אחרים. הבעיה האקולוגית הכרוכה בשימוש בחומרי פלסטיק נובעת מהנפח הגדול שתופסת פסולת הפלסטיק ומחוסר תהליכי סילוק ופירוק מתאימים. בנוסף לכך, המגמה המתמדת של החלפת חומרים טבעיים (הניתנים לפירוק) בחומרים סינתטיים בתחומי החקלאות והתעשייה גורמת להצטברות מהירה של פסולת פלסטיק בלתי מתכלה בסביבה, ודבר זה מהווה מטרד אקולוגי חמור.

איור 1: גידול חיידקי קרקע במצע מזון המכיל פוליאתילן כמקור פחמן יחיד.

פולימרים סינתטיים פותחו במקורם לחיים ממושכים ולעמידות לכל צורות הדגרדציה (כולל ביודגרדציה), והם בעלי מאפיינים מיוחדים הניתנים לשליטה על ידי שיווי המשקל המולקולרי והפונקציונליות (Swift, 1993). למרות שחלק מחומרי הפלסטיק ממוחזרים וחוזרים לשימוש מחדש ביישומים שונים, לא תמיד המיחזור אפשרי והוא אינו קל לביצוע. בהקשר זה פוליאתילן, בשימושיו השונים, הוא הפלסטיק הבעייתי ביותר. פסולת פוליאתילן, ובייחוד זו שמקורה בחיפוי קרקע בחקלאות, קשה לאיסוף בצורה נקייה משאריות צמחים ,ולהעברה לאתרי המיחזור. בהיעדר שיטות סילוק הולמות, הפוליאתילן משימושים חקלאיים נערם בשולי השדות ונשרף על ידי החקלאי, לרוב באופן עצמאי ולא מבוקר; לכן הוא גורם גם לזיהום אוויר.

הפוליאתילן נחשב לאחד מהפולימרים האינרטיים ביותר והעמידים בפני פירוק מיקרוביאלי. עמידותם של הפולימרים הסינתטיים לביודגרדציה מיוחסת לעובדה שחומרים אלה חדשים יחסית בסביבה. לפיכך, אם אכן קיימות בטבע מערכות אנזימטיות לביודגרדציה של פוליאתילן - הן נדירות ביותר, זאת מכיוון שפירוק מיקרוביאלי של השרשרת האולפינית תלוי בפירוק אנזימטי של קשרי C-C, ואנדואנזים בעל פעילות כזאת נדיר בטבע. לעומת זאת, פירוק ביולוגי של פחמימנים טבעיים, כגון נפט, מתרחש מכיוון שתרכובות מסוג זה קיימות מיליוני שנים ולכן התאפשרה התפתחות אבולוציונית טבעית של מנגנוני הפירוק המתאימים.

מוצרי פוליאתילן בר-פרוק - פתרון חלקי

בשנים האחרונית, עקב, דרישה גוברת בשוק, מתמקדים מחקרים רבים בפיתוח מוצרי פולימרים פריקים ביולוגית (Biodegradable), בעלי משך חיים קבוע וידוע מראש, בארבעה יעדים לפחות: חומרי אריזה, יריעות לחיפוי קרקע בחקלאות, אביזרים לשימוש חד פעמי במערכות אשפה וביוב, וביישומים רפואיים בהשתלות in vivo (Albertsson, 1980). עקב דרישות אלה פותחו מוצרי פיליאתילן המכונים מתכלים, משני סוגים עיקריים: פוליאתילן פריק ביולוגית ופוליאתילן פריק באור על ידי קרינת UV (UV Phorodegradable). החומר המכונה Biodegradable מכיל עמילן כפולימר נוסף הקשור לפוליאולפין, ואילו הפוליאתילן המכונה Photodegradable מכיל חומרים המגבירים פוטוליזה (UV Sensitizers). הפתרון של שני המוצרים האלה אינו מספק: במקרה של קופולימרים של עמילן-פוליאתילן אכן רכיב העמילן עובר פירוק, ולעתים גורם גם לאיבוד החוזק המכני של החומר מוקדם מהרצוי (Scott, 1990). בעוד שרכיב הפוליאתילן נותר שלם (Yabannavar and Bartha, 1994). פוטודגרדציה של פוליאתילן, המתכלה בקרינת UV מכילה תרכובת מתכתית המשמשת כקולטן UV (Photosensitizer), המתחיל תגובת שרשרת של רדיקלים חופשיים, המואצת באופן עצמאי. תגובת השרשרת גורמת לשבירת שרשרות הפולימר ולקבלת פרגמנטים קצרים, אשר בתנאים אירוביים יעברו חמצון לקבלת חומר פריך ושברירי בעל משקל מולקולרי נמוך, המתפורר לחתיכות קטנות. הפירוק המוחלט של הפולימר תלוי באסימילציה שלו על ידי מיקרואורגניזמים (Gilead, 1989), (התהליך מפורט בהמשך). אולם, בפוליאתילן זה הפוטוליזה השלמה נמשכת זמן רב ומחייבת חשיפה של הפלסטיק לאור. היות שחשיפה כזו לא תמיד ניתנת לביצוע עבור כל שטח הפלסטיק, באזורים שאינם חשופים לא יחול פירוק מלא. פיליאתילן זה מציב בעיה אקולוגית !וספת מכיוון שתרכובות קולטני ה-UV בחלק מהפולימרים הללו מבוססות על מתכות רעילות (כגון ניקל) הגורמות לזיהום סביבתי.

תמונה 2: צילום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של הביופילם הנוצר על פני פוליאתילן לאחר 16 שעות הדגרה עם החיידק C208 במצע סינתטי, המכיל פוליאתילן כמקור פחמן יחיד (1000 X).

תמונה 3: צילום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של הביופילם הנוצר על פני פוליאתילן לאחר 16 שעות הדגרה עם החיידק C208 במצע סינתטי, המכיל פוליאתילן כמקור פחמן יחיד (1000 X). ניתן לראות כי החיידקים שקועים בתוך הפוליאתילן. יתכן כי בשלב זה מתחילה פעולת הפירוק.

ביודגרדציה של פוליאתילן

פוליאתילן נחשב לפולימר עמיד ביותר בפני פירוק ביולוגי; במחקר על ביודגרדציה של פוליאתילן שהכיל פחמן מסומן (14C) ואשר הודגר (בתנאים מבוקרים) בקרקע למשך 10 שנים נמצא, כי כמנת ה-CO2 שהשתחררה מהפוליאתילן היתה נמוכה מ-0.2% על בסיס משקלי. (Albertsson & Karlsson, 1990).

תמונה 4: אכלוס פוליאתילן בביופילם של החיידק C208 במצע נוזלי המכיל 0.01% שמן מינרלי.

שינויים בפוליאתילן עקב פעילות החיידקים

כאמור, דוגמאות הפוליאתילן שעברו תהליך של ביודגרדציה הוקרנו תחילה ב-UV על מנת לגרום לפוטוליזה חלקית של הפולימר כטיפול מוקדם ליישום החיידקים. במטרה לבחון את השינויים החלים בפוליאתילן לאחר ההקרנה ב-UV ולאחר ההדגרה עם החיידקים - נבדקה הספקטרה האינפרה אדום (IR) לפני ההקרנה ואחריה ולאחר הטיפול עם החיידקים והסרת הביופילם. השיניי העיקרי החל בפוליאתילן עקב ההקרנה ב-UV הוא פוטואוקסידציה, המגבירה את ההידרופיליות של הפולימר על ידי יצירת שיירי קרבוניל הניתנים לניצול על ידי החיידקים. כצפוי, ספקטרום IR של פוליאתילן אשר לא הוקרן ב-UV לא הכיל שיירי קרבוניל. לאחר ההקרנה ב-UV מתקבל שיא בליעה ב-IR האופייני לקבוצות קרבוניליות (אורך גל 1718 cm-1). ריכוז קבוצות הקרבוניל עולה ביחס ישר למשך ההקרנה ב-UV. הדגרת פוליאתילן אשר הוקרן ב-UV עם חיידקים מסוג Bacillus (אשר בודדו לאחרונה) למשן 60 או 90 יום - הביאה לירידה בשיא ה-IR של קבוצות הקרבוניל.

איור 2: ספקטרום אינפרה אדום של פוליאתילן אשר הוקרן ב-UV למשך 120 שעות ואחר-כך הודגר עם חיידקי bacillus.

מנגנון הפירוק של פוליאתילן כולל שלב ראשוני חיוני, כנראה אביוטי, של פוטואוקסידציה, המגדילה את כמות החומר הנמוך מולקולרי (על ידי שבירת קשרים), כמו כן הפוטיואוקסידציה מגדילה את מידת ההידרופיליות של הפוליאתילן על ידי הכנסת קבוצות קרבוניל (Albertsson, 1993). באיור 3 מתואר המנגנון המקובל לפוטואוקסידציה של פוליאתילן.

איור 3: פוטואוקסידציה של פוליאתילן לפי Schlegel (1976). (במסגרת מופיע מספר גל אופייני של בליעה ב-IR.)

איור 4: מנגנון פוטודגרדציה מסוג Norrish 1 ו-Norrish 2 (לפי Vink, 1983). (במסגרת בליעה אופיינית ב-IR.)

התהליך מתחיל בקרינת UV המובילה ליצירת רדיקלים חופשיים. עם בליעת חמצן נוצרים הידרופראוקסידים, כאשר התוצרים הסופיים הם קבוצות קרבוניל. חשיפה נוספת לקרינת UV יכולה לגרום לקבוצות הקרבוניל לעבור פירוק מסוג Norrish 1 או 2 Norrish (איור 4) ואז יופיעו קבוצות נוספות הכוללות קשרים כפולים ואסטרים (Albertsson et al., 1987 ). סיכום
בעבודה זו בודדו חיידקי קרקע בעלי כושר לפירוק יריעות פוליאתילן בעלות צפיפות נמוכה (LDPE). הבידוד נעשה על ידי גידול התרביות במצע סינתטי מינימלי, כאשר הפוליאתילן היווה מקור פחמן יחיד. מידת הפירוק של חלק מדוגמאות הפוליאתילן שנמדדה לאחר כ-4 שבועות, הגיעה עד 15% משקלי. החיידקים המפרקים יוצרים ביופילם על פני הפוליאתילן, ובכך מתאפשר פירוקו.

בניסיון לשפר את הפירוק באמצעות שיפור אכלוס הפוליאתילן על ידי החיידקים, נבדקה תוספת משטחים אניוניים למצע הגידול. תוספת המשטחים לא הביאה לשיפור המיוחל בפירוק.

מידת ההידרופיביות של מספר תבדידי חיידקים הוערכה בשתי שיטות שונות, אשר נתנו אותן התוצאות. נמצא, כי התבדידים הידרופוביים אך במידה שונה. התבדיד ההידרופובי ביותר, C208, גדל היטב על שמן מינרלי כמקור פחמן יחיד (2% v/v). תוספת של שמן מינרלי לתרביות החיידקים הגבירה את האינטראקציות ההידרופוביות בין החיידקים לבין הפוליאתילן ושיפרה את אכלוס שטח פני הפוליאתילן על ידי הביופילם החיידקי.

הקרנת הפוליאתילן ב-UV גרמה לעלייה בריכוז קבוצות הקרבוניל והוויניל הטרמינלי בפולימר, ולאחר ההדגרה עם החיידקים נצפתה ירידה בריכוז שתי הקבוצות האלה שנבעה מביודגרדציה. יישום מוצלח של חיידקים כגון אלו שצוינו בעבודה זו לפירוק יעיל של פסולת פוליאתילן, יהיה תלוי רבות בפענוח מנגנון הפירוק ובפיתוח שיטות יישום מתאימות.


רשימת ספרות

1) Albertsson, A.C. Eur. Polym. J., 16: 623, ( 1980).
2) Albertsson, A.C. and Karlsson, S. Prog. Polym. Sci., 15: 177-192, (1990).
3) Aminabhavi, T.M., Balundgi, R.H, and Cassidy, P.E. Polym. Plast. Technol. Eng. 29: 235-262 (1990).
4) Gilead, D. (1989), In: Degradable Materials- perspectives, Issues and Opportunities: Barenberg, S.A., Brash, J.L.,Narayan, R., and Redpath, A.E. (Eds.) (1990).
5) Otake, Y., Kobayashi, T., Asabe, H., Murakarni, N., and Ono, K. J. Appl. Polym. Sci., 56; 1789-1796, (1995).
6) Potts, J.E., Biodegradation, In: Degradation and Stabilization of Polymers, H.H.G. Jellinek (Ed.), (1978).
7) Scott, G. In: Degradable Materials-perspectives, Issues and Opportunities, Barenberg, S.A., Brash, J.L. ,Narayan, R., and Redpath, A.E. (Eds.) (1990).
8) Swift, G. Ace. Chem. Res., 26: 105-110, (1993).
9) Yabannavar, A.V., and Bartha, R. Appl. Environ. Microbiol., 60: 3608-3614, (1994).

שותפים למחקר: עירית גילן (אור), ד"ר ולנטינה פבלוב.

 המכון למחקר יישומי במדעי החיים והמחלקה להנדסת ביוטכנולוגיה, אוניברסיטת בן גוריון בנגב 

 פורסם ב"כימיה", הוצאת "מדיום" גליון 57, 2001