Biodegradability of Polyethylene Plastics by Individual and Co-cultured Bacterial Isolates

أصبح البلاستيك سمة دائمة في العالم الحديث، لكن متانته هي أيضاً أكبر عيوبه البيئية. ومن بين أنواع البلاستيك العديدة، يعد البولي إيثيلين الأكثر شيوعاً، ويُستخدم في كل شيء من أكياس البقالة إلى أغلفة التغليف. وهو مصنوع من سلاسل طويلة من ذرات الكربون والهيدروجين المرتبطة ببعضها البعض بإحكام، مما يجعل المادة مقاومة للغاية للتحلل الطبيعي. ولأن هذه السلاسل مستقرة جداً وتطرد الماء، فإن البكتيريا والفطريات في التربة تجد صعوبة في التعرف عليها كغذاء. ونتيجة لذلك، يتراكم البولي إيثيلين في المكبات وفي البيئة، ويستمر لعقود أو حتى قرون. وبينما تسبب حرق أو دفن هذه النفايات مشاكل أخرى، مثل الأبخرة السامة أو التربة الملوثة، فقد بحث العلماء طويلاً في الطبيعة عن حل. والأمل هو أن بعض الكائنات الدقيقة قد تتطور أو تُكتشف بحيث يمكنها كسر هذه الروابط الكيميائية القوية، وتحويل البلاستيك مرة أخرى إلى نواتج ثانوية غير ضارة. وتعتمد عملية التحلل الحيوي هذه على الإنزيمات — وهي بروتينات متخصصة تنتجها الكائنات الحية — لتقطيع البلاستيك إلى قطع أصغر يمكن للميكروبات استهلاكها.

في دراسة حديثة أجريت في غانا، سعى الباحثون لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم العث de بكتيريا في التربة المحلية يمكنها أكل البولي إيثيلين، وما إذا كان خلط أنواع مختلفة من البكتيريا معاً سيجعل العملية أسرع. قاموا بجمع عينات تربة من ثلاثة مواقع لإلقاء النفايات نشطة في مدينة كوماسي، وهي مناطق حيث تراكمت النفايات البلاستيكية لفترة طويلة. اعتقد الفريق أن البكتيريا التي تعيش في هذه البقاع تحديداً قد تكون تكيفت بالفعل للعيش على البلاستيك. أخذوا التربة إلى المختبر ووضعوها في حاويات تحتوي على قطع ممزقة من البولي إيثيلين منخفض الكثافة، وهو نفس المادة المستخدمة في الأكياس البلاستيكية الشائعة. وعلى مدار عدة أسابيع، تركوا البكتيريا تنمو، مختارين فقط تلك التي بدا أنها تستخدم البلاستيك كمصدر للغذاء. وبمجرد عزل هذه البكتيريا، حددو هويتها باستخدام طريقة عالية التقنية تحلل البصمات البروتينية الفريدة لكل ميكروب. ووجدوا أن البكتيريا الأكثر شيوعاً كانت نوعاً يسمى Bacillus cereus، رغم أنهم اكتشفوا أيضاً بضعة أنواع أخرى، بما في ذلك Achromobacter insolitus و Alcaligenes faecalis.

اختبر الباحثون بعد ذلك مدى قدرة هذه البكتيريا على تفكيك البلاستيك تحت ظروف مختلفة. أرادوا معرفة ما إذا كانت البكتيريا تعمل بشكل أفضل عند درجات حرارة معينة، أو عند مستويات مختلفة من الحموضة أو القلوية، أو إذا كانت تحتاج إلى مزيد من الوقت للقيام بالمهمة. وباستخدام نهج إحصائي لرسم خرائط هذه المتغيرات، حددوا أن البكتيريا نمت بشكل أفضل وحللت البلاستيك بفعالية أكبر عند درجة حرارة معتدلة تبلغ 25 درجة مئوية، وفي بيئة قلوية قلياً ذات باهاء (pH) يبلغ 9، وبعد حوالي 21 يوماً من التحضين. وهذه الظروف تعتبر معتدلة نسبياً، مما يشير إلى أن البكتيريا لا تحتاج إلى حرارة شديدة أو مواد كيميائية قاسية لتعمل.

ولرؤية ما إذا كان العمل معاً يساعد، أعد الفريق تجارب حيث قاموا بزراعة البكتيريا بمفردها وفي مجموعات. وقارنوا بين سلالات منفردة من البكتيريا مقابل أزواج وحتى ثلاثيات من الأنواع المختلفة التي تعيش في نفس الحاوية. أظهرت النتائج اتجاهاً عددياً واضحاً حيث حقق الزوج (BC-AI) أعلى متوسط فقد في الوزن (8.04%)، يليه مجموعات أخرى، رغم أن التحليل الإحصائي لم يكشف عن فروق ذات دلالة إحصائية بين المعالجات بشكل عام. وبينما كانت كمية البلاستيك المفقودة فعلياً صغيرة — أقل من 10 بالمائة من الوزن الإجمالي خلال 28 يوماً — إلا أن النمط أشار إلى أن البكتيريا المختلفة قد تكون تساعد بعضها البعض. فقد يقوم أحد الأنواع بتكسير البلاستيك إلى قطع أصغر يمكن التعامل معها، بينما يستهلك نوع آخر تلك القطع، مما يخلق دورة من التعاون لا يستطيع نوع واحد من البكتيريا تحقيقها بمفرده. ومن الجدير بالذكر أن الأداء تباين بين المجموعات؛ فعلى سبيل المثال، أظهرت الثقافة الثلاثية (BC-AI-AF) فقداً في الوزن أقل من الزوج (BC-AI)، مما يشير إلى أن وجود المزيد من البكتيريا لا يضمن دائماً نتائج أفضل.

بحث العلماء أيضاً عن الأدوات الكيميائية التي تستخدمها البكتيريا للقيام بهذا العمل. قاموا بقياس نشاط إنزيم يسمى "لاكاز" (laccase)، المعروف بقدرته على أكسدة وتفكيك المواد الصلبة. وقد أنتجت المجموعة التي سجلت أعلى فقد في وزن البلاستيك أعلى كمية من هذا الإنزيم. ويشير هذا الارتباط إلى أن البكتيريا كانت بالفعل تهاجم البلاستيك كيميائياً، مستخدمة إنزيماتها لإضعاف الروابط القوية التي تمسك سلاسل البوليمر ببعضها البعض. وللتأكد من أن البلاستيك نفسه قد تغير، استخدم الباحثون تقنية "تحليل طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه". تقوم هذه الطريقة بتسليط ضوء الأشعة تحت الحمراء على البلاستيك لمعرفة كيفية استجابة بنيته الجزيئية. ووجدوا أن البلاستيل المعالج أظهر علامات على التعديل الكيميائي، مثل ظهور مجموعات تحتوي على الأكسجين على سطحه. وهذا يشير إلى أن البكتيريا نجحت في تغيير بنية البلاستيك، مما يجعله أكثر عرضة لمزيد من التحلل.

على الرغم من هذه العلامات الواعدة، سلطت الدراسة الضوء أيضاً على صعوبة المهمة. فقد أظهر التحليل الإحصائي أن الاختلافات في فقد الوزن بين المجموعات لم تكن كبيرة بما يكفي لاعتبارها مثبتة بشكل نهائي ضمن الإطار الزمني البالغ 28 يوماً. فالبلاستيك ببساطة صعب التفكيك للغاية، والتغييرات الملحوظة كانت طفيفة. ومع ذلك، فإن الجمع بين الفقد في الوزن الفيزيائي، والنشاط الإنزيمي العالي، والتغيرات الكيميائية في بنية البلاستيك، يشير إلى عملية بيولوجية حقيقية. وخلص الباحثون إلى أنه بينما قد يكافح نوع واحد من البكتيريا لإحداث أي تأثير في البولي إيثيلين، فإن مجتمعاً من البكتيريا المختلفة التي تعمل معاً يظهر إمكانات أكبر بكثير. ووجدوا أن هذه المجموعات المختلطة لم تهاجم البلاستيك عشوائياً فحسب، بل بدت وكأنها تنسق جهودها، وتستهدف أجزاء مختلفة من مادة البلاستيك بطريقة لا تستطيع السلالات المنفردة القيام بها.

هذا العمل لا يقدم حلاً فورياً لأزمة البلاستيك العالمية، ولا يدعي أنه حل مشكلة نفايات البولي إيثيلين. بدلاً من ذلك، فإنه يقدم صورة أوضح لكيفية مساهمة الطبيعة في النهاية. وهو يشير إلى أن مفتاح التحلل الحيوي للبلاستيك قد لا يكمن في العثور على "بكتيريا خارقة" واحدة، بل في فهم كيفية تعاون الميكروبات المختلفة. وتؤكد الدراسة أن البكتيريا الموجودة في مكبات النفايات الغانية لديها القدرة على التفاعل مع البولي إيثيلين وتعديله، خاصة عندما يُسمح لها بالعمل كفريق. وبينما كانت العملية بطيئة وكانت النتائج في المختبر متواضعة، فإن الدليل على التعاون الأيضي يقدم اتجاهاً واعداً للبحوث المستقبلية. وإذا تمكن العلماء من تسخير هذه الشراكات الطبيعية، فقد يتمكنون يوماً ما من تطوير طرق لإدارة نفايات البلاستيك تكون أكثر فعالية بكثير من مجرد دفنها أو حرقها.