Bazı mikroorganizmalar plastiği sindirebilen enzimler üretir ancak bu enzimlerin endüstriyel ölçekte kullanılması için genellikle 30°C’nin üzerinde sıcaklıklar gerekir ki bu da maliyetlidir. İsviçre Federal Enstitüsü WSL’den bilim insanları şimdi bazı biyodegrede olabilir plastikleri çok daha düşük sıcaklıklarda parçalayabilen bir dizi bakteri ve fungus türü keşfetti. İsviçre Alplerindeki yüksek rakımlı topraklardan ve kutup bölgelerinden toplanan bu tür soğuğa adapte olmuş mikroorganizmalar, plastik geri dönüşümü için endüstriyel ölçekli enzimatik süreçleri uygun maliyetli hale getirebilir.
WSL’de misafir bilim insanı olarak görev yapan Joel Rüthi, “Burada, alpin ve arktik toprakların ‘plastisferinden’ elde edilen yeni mikrobiyal taksonların biyodegrede olabilir plastikleri 15°C’de parçalayabildiğini gösteriyoruz” dedi. “Bu organizmalar, plastik için enzimatik bir geri dönüşüm sürecinin maliyetlerini ve çevresel yükünü azaltmaya yardımcı olabilir.” Rüthi, ekibin Frontiers in Microbiology‘de yayımlanan “Discovery of plastic-degrading microbial strains isolated from the alpine and Arctic terrestrial plastisphere” başlıklı makalesinin baş yazarıdır. Ekip makalelerinde şu sonuca varmıştır: “Sonuçlarımız, yüksek dağlık ve kutup bölgelerinden mikroorganizmaların plastik parçalayıcı enzimlerin verimli üreticileri olduğunu ve böylece çevre dostu döngüsel bir plastik ekonomisi için gelecekteki çabalara katkıda bulunabileceğini göstermektedir.”
Yazarlar, yıllık küresel plastik üretiminin hızla artmaya devam ettiğini ve 2020 yılında 367 megaton seviyesine ulaşacağını yazdı. “Geleneksel plastiklerin çevrede kalıcı olması, tek kullanımlık plastiklerin aşırı kullanımı ve atıkların yanlış yönetimi önemli bir çevre sorununa neden oluyor.” Araştırmacılar, yeniden kullanım ve geri dönüşüme yönelik geleneksel mekanik ve kimyasal yaklaşımların “bazı önemli dezavantajları” olduğunu da sözlerine ekledi. Daha sürdürülebilir bir plastik ekonomisi için alternatif yaklaşımlar arasında biyo-bazlı ve biyodegrede plastiklerin kullanımının yanı sıra “mikrobiyal plastik parçalayıcı enzimler kullanan yeni geri dönüşüm stratejileri” de yer alıyor.
Plastikleri sindirebilen ve kirliliği gidermeye yardımcı olan organizmaları bulmak, yetiştirmek ve biyomühendislik tekniklerine tabi tutmak artık büyük bir iş. Ancak bunu yapabilen birkaç mikroorganizma halihazırda bulunmuş olsa da, enzimlerinin çalışması için gereken ısıtma, endüstriyel uygulamaların maliyetli olduğu ve nötr karbon olmadığı anlamına geliyor.
Potansiyel bir çözüm, enzimleri daha düşük sıcaklıklarda çalışan soğuğa adapte olmuş özel mikropları tanımlamaktır. Bilim insanları, “Ancak, soğuğa adapte olmuş mikroorganizmaların plastik bozunma potansiyeli şimdiye kadar nadiren incelenmiştir” dedi. Rüthi ve meslektaşları raporlanan çalışmaları için Grönland, Svalbard ve İsviçre’de serbest duran veya kasıtlı olarak gömülmüş (bir yıl boyunca toprakta tutulan) plastik üzerinde büyüyen 19 bakteri ve 15 fungus türünü örnekledi. Svalbard’daki plastik çöplerin çoğu, öğrencilerin iklim değişikliğinin etkilerine ilk elden tanık olmak için saha çalışması yaptığı İsviçre Arktik Projesi 2018 sırasında toplanmıştır. İsviçre’den gelen toprak, Muot da Barba Peider’in zirvesinde (2.979 m) ve her ikisi de Graubünden kantonunda bulunan Val Lavirun vadisinde toplanmıştır.
Bilim insanları izole edilen mikroorganizmaları laboratuvarda karanlıkta ve 15°C’de tek suşlu kültürler halinde büyüttü ve moleküler teknikler kullanarak tanımladı. Sonuçlar, bakteri suşlarının Actinobacteria ve Proteobacteria filumlarındaki 13 cinse, fungus suşlarının ise Ascomycota ve Mucoromycota filumlarındaki 10 cinse ait olduğunu gösterdi.
Araştırmacılar daha sonra her bir suşu, biyodegrede olmayan polietilen (PE) ve biyodegrede poliester poliüretan (PUR) steril örneklerinin yanı sıra piyasada bulunan iki biyodegrede polibütilen adipat tereftalat (PBAT) ve polilaktik asit (PLA) karışımını sindirme kabiliyeti açısından incelemek için bir dizi test kullandılar.
Mikrobiyal suşların hiçbiri, bu plastikler üzerinde 126 gün inkübasyondan sonra bile PE’yi sindirememiştir. Ancak 11 fungus ve sekiz bakteri dahil olmak üzere suşların 19’u (%56) 15°C’de PUR’u sindirebilirken, 14 fungus ve üç bakteri PBAT ve PLA plastik karışımlarını sindirebilmiştir. Nükleer manyetik rezonans (NMR) ve floresan bazlı analizler, bu suşların PBAT ve PLA polimerlerini daha küçük moleküllere parçalayabildiğini doğruladı.
Rüthi, “Test edilen suşların büyük bir kısmının test edilen plastiklerden en az birini parçalayabildiğini tespit etmemiz bizim için çok şaşırtıcıydı” dedi. Bilim insanları, “Birkaç taksonun (örneğin Collimonas, Kribbella, Lachnellula ve Thelebolus cinsleri) plastikleri parçalayabildiği ilk kez görüldü” dedi. “En önemlisi, test edilen suşlar dağılmış PUR ve poliester filmler Ecovio® ve BI-OPL’yi daha önce bildirilen mikrobiyal suşlardan daha düşük sıcaklıklarda (15°C) parçaladı.”
En iyi performans gösterenler Neodevriesia ve Lachnellula cinsinden iki karakterize edilmemiş fungus türü olmuştur. Bu mikroorganizmalar PE hariç test edilen tüm plastikleri sindirebilmiştir. Ekip, “800 (Neodevriesia sp.) ve 943 (Lachnellula sp.) fungus türleri, test edilen tüm biyodegrede olabilir ürünleri parçaladıkları, plastik filmlerdeki PBAT ve PLA bileşenlerinin kütlelerini azalttıkları ve saf PBAT polimerini verimli bir şekilde hidrolize ettikleri için daha ileri çalışmalar için umut verici adaylardır” dedi.
Sonuçlar ayrıca plastiği sindirme kabiliyetinin çoğu suş için kültür ortamına bağlı olduğunu ve her suşun test edilen dört ortamın her birine farklı tepki verdiğini göstermiştir. “… kültür koşullarının plastik parçalanması üzerinde güçlü bir etkisi olduğunu gösterdik. Bu bulgu, mikrobiyal suşlar tarafından elde edilen bozunma oranlarının optimize edilmesine yardımcı olabilir ve özellikle oligotrofik Arktik ve yüksek dağ toprakları gibi karbon ve besin içeriğinin sınırlı olduğu doğal ortamlarda plastik bozunması için de sonuçlar doğurabilir.” Ekip ayrıca, plastik parçalayan mikroorganizmalara yönelik tarama testlerinin, yalnızca birkaç koşul test edildiği için potansiyel plastik parçalayan suşların yalnızca bir alt kümesini tespit edebileceğini, “oysa bazı suşların plastik parçalayan enzimleri ifade etmek için çok özel koşullara ihtiyaç duyabileceğini” belirtti.
Plastikler sadece 1950’lerden beri var olduğundan, plastiği parçalama yeteneği neredeyse kesinlikle başlangıçta doğal seçilim tarafından hedeflenen bir özellik değildi. Peki plastiği sindirme yeteneği nasıl evrimleşti? “WSL’de kıdemli bir bilim insanı ve grup lideri olan ortak yazar Beat Frey, “Mikropların bitki hücre duvarlarının parçalanmasında rol oynayan çok çeşitli polimer parçalayıcı enzimler ürettiği kanıtlanmıştır” dedi. Özellikle bitki patojeni fungusların, bitki polimeri kütine benzerlikleri nedeniyle plastik polimerleri hedef alan kütinazları üretme yetenekleri nedeniyle polesterleri biyodegrede edebildikleri sıklıkla bildirilmektedir.”
Rüthi ve meslektaşları sadece 15°C’de plastik sindirimini test ettiler, bu nedenle bu başarılı suşların enzimlerinin çalıştığı optimum sıcaklığı henüz bilmiyorlar. Frey, “Ancak test edilen suşların çoğunun 4°C ile 20°C arasında iyi bir şekilde büyüyebildiğini ve optimum sıcaklığın 15°C civarında olduğunu biliyoruz” dedi. Yazarlar makalelerinde şu sonuca varıyor: “Bu çalışma mikrobiyal plastik parçalanması hakkındaki bilgilerimizi genişletiyor ve gelecekte soğuk aktif plastik parçalayıcı enzimlerin keşfi için bir temel sağlıyor. Tanımlanan mikrobiyal suşlar, düşük sıcaklıklarda verimli ve sürdürülebilir plastik atık geri dönüşümünün geliştirilmesi için değerli bir kaynak olarak hizmet edebilir.”
Frey sözlerine şunları ekledi: “Bundan sonraki en büyük zorluk, mikrobiyal suşlar tarafından üretilen plastik parçalayıcı enzimleri tanımlamak ve büyük miktarlarda protein elde etmek için süreci optimize etmek olacaktır. Buna ek olarak, protein stabilitesi gibi özellikleri optimize etmek için enzimlerin daha fazla modifikasyonu gerekebilir.” Yazarlar ayrıca “Plastik parçalanmasını optimize etmek için umut verici bir yöntem, sorumlu enzimleri kodlayan genlerin tanımlanmasını ve bu genlerin uygun bir konakçıda heterolog olarak ifade edilmesini içerebilir.” yorumunda bulundu. [1]Finding Microorganisms That Can Digest Plastics at Low Temperatures
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Finding Microorganisms That Can Digest Plastics at Low Temperatures |
|---|
