Naukowcy odkryli, że ślina robaka woskowego i zawarte w niej enzymy są kluczem do rozkładu polietylenu. Jest to biologiczne rozwiązanie kryzysu związanego z zanieczyszczeniem środowiska tworzywami sztucznymi.
Rozkład tworzyw sztucznych za pomocą systemów biologicznych może być przyszłym rozwiązaniem globalnego zagrożenia związanego z gromadzeniem się odpadów z tworzyw sztucznych. Źródło: Nature Communications
Tworzywa sztuczne przeniknęły do każdego aspektu naszego współczesnego życia, od opakowań żywności po ubrania, które nosimy. Chociaż ich praktyczność i niski koszt sprawiają, że są wszechobecne, ich ogromna produkcja, a przede wszystkim odporność na biodegradację wywołały globalny kryzys zanieczyszczenia środowiska.
Miliony ton polietylenu (PE) jest najczęściej produkowanym tworzywem sztucznym na świecie, stanowiąc około 30% produkcji, a jego zużycie znacznie rośnie z każdym rokiem. Ponadto jest on trwały w środowisku, ponieważ może przetrwać wieki, gromadząc się na wysypiskach śmieci i w ekosystemach. Ten palący problem wymaga innowacyjnych rozwiązań wykraczających poza konwencjonalny recykling.
Obecnie recykling mechaniczny jest jedyną metodą zarządzania odpadami z tworzyw sztucznych na dużą skalę, ale napotyka poważne ograniczenia. Czynniki takie jak niewielka ilość rodzajów tworzyw sztucznych nadających się do tego procesu oraz niższa jakość produktów wtórnych poważnie ograniczają jego potencjał.
Z drugiej strony istnieje recykling chemiczny, którego celem jest rozkładanie tworzyw sztucznych w celu wykorzystania mniejszych półproduktów, ale jego wysokie koszty energetyczne utrudniają ten proces i gwarancję funkcjonalności. Dlatego poszukiwanie alternatywnych rozwiązań jest niezbędne.
Wiele rodzajów tworzyw sztucznych może rozkładać się setki lat, co oznacza, że plastik, który wyrzucamy dzisiaj, będzie zanieczyszczał środowisko przez długi czas.
W obliczu tego ogromnego wyzwania społeczność naukowa nie ustaje w poszukiwaniu kreatywnych alternatyw. W ostatnich latach zidentyfikowano kilka bakterii, grzybów i innych gatunków, które mają zaskakującą zdolność rozkładania tworzyw sztucznych.
Robaki woskowe dołączają do walki z zanieczyszczeniem
W 2017 roku Federica Bertocchini, badaczka z Hiszpańskiej Rady ds. Badań Naukowych (CSIC) i pszczelarka-amatorka, dokonała zaskakującego odkrycia, przypadkowo obserwując nową, obiecującą metodę walki z zanieczyszczeniem polietylenem.
Bertocchini zauważyła, że robaki, później zidentyfikowane jako robaki woskowe lub miodowe (Galleria mellonella), przewierciły plastikową torbę, w której zostały tymczasowo umieszczone. Ku jej zdumieniu owady te żywiły się polietylenem.
Odkrycie to miało ogromne znaczenie, ponieważ oferowało niezwykłą biologiczną perspektywę na rozkład tak opornego materiału, którego całkowity rozkład w sposób naturalny może trwać dziesiątki lub nawet setki lat.
Dalsze badania pogłębiły wiedzę na temat tego mechanizmu biologicznego. W 2022 roku zespół Bertocchini odkrył sekret niezwykłej zdolności robaków: ich ślina zawiera specyficzne enzymy należące do rodziny fenoloksydaz.
A) Schemat zbierania i stosowania śliny. B) Analiza RAMAN folii PE i folii PE poddanej działaniu GmSal: 3 aplikacje po 90 minut, po 30 μl każda. Piki między 1500 a 2400 cm − 1 wskazują różne wibracje rozciągania zbiorczego spowodowane obecnością innych związków organicznych, co jest oznaką degradacji PE (czerwona strzałka). Utlenianie występuje między 1600 a 1800 cm − 1 (grupa karbonylowa) i 3000–3500 cm − 1 (grupa hydroksylowa) (czarne strzałki) 78 . C) Folia PE kontrolna. Nawiasy wskazują piki charakterystyczne dla PE (sygnatura PE), odpowiadające pasmom przy 1061, 1128, 1294, 1440, 2846 i 2880 cm − 1 . D) Nałożone profile ( B i C ), folia z polietylenu spienionego poddana działaniu śliny Samia cynthia. Źródło: Nature Communications
Enzymy te są w stanie wydajnie utleniać polietylen, co najważniejsze, w temperaturze pokojowej. To odkrycie molekularne ma kluczowe znaczenie, ponieważ utlenianie jest pierwszym i najtrudniejszym etapem biodegradacji PE, zazwyczaj napędzanym przez czynniki abiotyczne, takie jak światło lub temperatura.
Mechanizmy rozkładu
Profesor Bryan Cassone z Wydziału Biologii Uniwersytetu Brandon przeprowadził badania mające na celu dogłębne zbadanie tych mechanizmów biologicznych. Jego badania potwierdzają, że robaki woskowe mają niezwykłą zdolność do metabolicznej degradacji tworzyw sztucznych w imponującym tempie, w ciągu zaledwie kilku dni.
Twierdzi on, że „około 2000 robaków woskowych może rozłożyć całą torbę polietylenową w ciągu zaledwie 24 godzin”. „Takie tempo rozkładu sugeruje realny potencjał do praktycznych zastosowań”.
Badania Cassone rzuciły również światło na sposób, w jaki robaki przetwarzają tworzywa sztuczne: przekształcają je w lipidy, które następnie magazynują w postaci tłuszczu w organizmie, podobnie jak ludzie magazynują tłuszcze. Jednak dieta składająca się wyłącznie z tworzyw sztucznych powoduje szybką śmierć robaków, które nie przeżywają dłużej niż kilka dni i tracą znaczną masę ciała. Rodzi to potrzebę suplementacji diety w celu utrzymania ich zdrowia.
Pomimo tej niedogodności zespół Cassone’a pozostaje optymistyczny, wierząc, że uda mu się opracować super pokarm, który nie tylko utrzyma robaki w dobrej kondycji fizycznej, ale nawet ją poprawi.
Dwa główne czynniki przyczyniające się do kryzysu związanego z tworzywami sztucznymi
Masowa hodowla robaków na diecie uzupełnionej polietylenem w ramach gospodarki o obiegu zamkniętym lub przeprojektowanie procesu biodegradacji tworzyw sztucznych poza organizmem zwierzęcym z wykorzystaniem odkrytych enzymów.
Dogłębne badania śliny robaków woskowych ujawniły obecność dwóch kluczowych enzymów, zwanych PEasas: Demetra i Ceres. Są to pierwsze znane enzymy zdolne do utleniania i depolimeryzacji folii polietylenowej w temperaturze pokojowej i w bardzo krótkim czasie, wytwarzając ketony i inne produkty uboczne o niskiej masie cząsteczkowej.
Odkrycie to jest rewolucyjne, ponieważ przełamuje barierę utleniania abiotycznego, która dotychczas hamowała postęp biodegradacji PE.
Istnienie tych enzymów owadów, które działają bez konieczności wstępnej obróbki i w warunkach środowiskowych, stanowi alternatywny i obiecujący paradygmat w biologicznej degradacji PE.
Otwiera to nie tylko nową drogę do recyklingu lub supracyklingu komponentów plastikowych, ale sugeruje również, że ślina owadów może być ogromnym źródłem enzymów rozkładających. Badania te stanowią znaczący krok w kierunku możliwości stworzenia gospodarki o obiegu zamkniętym dla tworzyw sztucznych.
Źródło informacji
Sanluis-Verdes, A., Colomer-Vidal, P., Rodriguez-Ventura, F. et al. Ślina robaków woskowych i zawarte w niej enzymy są kluczem do degradacji polietylenu przez Galleria mellonella. Nat Commun 13, 5568 (2022).