Biodegradability of Polyethylene Plastics by Individual and Co-cultured Bacterial Isolates
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि घाना की मिट्टी से प्राप्त सह-संवर्धित (co-cultured) जीवाणु पृथक, विशेष रूप से 25°C, pH 9 और 21 दिनों की अनुकूलित स्थितियों के तहत, व्यक्तिगत उपभेदों (strains) की तुलना में सहक्रियात्मक एंजाइमी अंतःक्रियाओं के माध्यम से बेहतर पॉलीइथाइलीन जैव-अपघटन प्राप्त करते हैं।
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प्लास्टिक आधुनिक दुनिया की एक स्थायी विशेषता बन गया है, लेकिन इसकी स्थायित्वता ही इसकी सबसे बड़ी पर्यावरणीय खामी भी है। प्लास्टिक के कई प्रकारों में, पॉलीथीन सबसे आम है, जिसका उपयोग किराने के थैलों से लेकर पैकेजिंग फिल्मों तक सब कुछ में किया जाता है। यह कार्बन और हाइड्रोजन परमाणुओं की लंबी श्रृंखलाओं से बना होता है जो एक साथ मजबूती से बंधे होते हैं, जिससे यह सामग्री प्राकृतिक रूप से टूटने के प्रति अविश्वसनीय रूप से प्रतिरोधी हो जाती है। क्योंकि ये श्रृंखलाएं इतनी स्थिर हैं और पानी को प्रतिकर्षित करती हैं, इसलिए मिट्टी में मौजूद बैक्टीरिया और कवक इन्हें भोजन के रूप में पहचानने में संघर्ष करते हैं। परिणामस्वरूप, पॉलीथीन लैंडफिल और पर्यावरण में जमा हो जाता है, जो दशकों या सदियों तक बना रहता है। हालांकि इस कचरे को जलाने या दफनाने से अन्य समस्याएं पैदा होती हैं, जैसे कि जहरीली गैसें या दूषित मिट्टी, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से समाधान के लिए प्रकृति की ओर देखा है। उम्मीद यह है कि कुछ सूक्ष्मजीव विकसित हो सकते हैं या पाए जा सकते हैं जो इन कठिन रासायनिक बंधों को तोड़ सकें, जिससे प्लास्टिक वापस हानिरहित उपोत्पादों में बदल जाए। यह प्रक्रिया, जिसे बायोडिग्रेडेशन (जैव-अपघटन) कहा जाता है, एंजाइमों पर निर्भर करती है—जो जीवित चीजों द्वारा उत्पादित विशेष प्रोटीन हैं—ताकि वे प्लास्टिक को छोटे टुकड़ों में काट सकें जिन्हें सूक्ष्मजीव खा सकें।
घाना में किए गए एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए प्रयास किया कि क्या वे स्थानीय मिट्टी में ऐसे बैक्टीरिया पा सकते हैं जो पॉलीथीन खा सकें, और क्या विभिन्न प्रकार के बैक्टीरिया को एक साथ मिलाने से यह प्रक्रिया तेज हो सकती है। उन्होंने कुमासी शहर के तीन सक्रिय डंपसाइटों से मिट्टी के नमूने एकत्र किए, जो वे क्षेत्र हैं जहाँ लंबे समय से प्लास्टिक कचरा जमा हो रहा था। टीम का मानना था कि इन विशिष्ट स्थानों पर रहने वाले बैक्टीरिया पहले से ही प्लास्टिक पर जीवित रहने के लिए अनुकूलित हो चुके होंगे। वे मिट्टी को लैब में ले गए और उसे लो-डेंसिटी पॉलीथिन (कम घनत्व वाले पॉलीथीन) के कटे हुए टुकड़ों के साथ कंटेनरों में रखा, जो सामान्य प्लास्टिक बैग में इस्तेमाल होने वाली सामग्री है। कई हफ्तों के दौरान, उन्होंने बैक्टीरिया को बढ़ने दिया, केवल उन्हीं को चुना जो प्लास्टिक का उपयोग भोजन के स्रोत के रूप में कर रहे थे। एक बार जब उन्होंने इन बैक्टीरिया को अलग कर लिया, तो उन्होंने प्रत्येक सूक्ष्मजीव के अद्वितीय प्रोटीन हस्ताक्षरों का विश्लेषण करने वाली एक उच्च-तकनीकी विधि का उपयोग करके उनकी पहचान की। उन्होंने पाया कि सबसे आम बैक्टीरिया 'बैसिलस सेरियस' (Bacillus cereus) नामक एक प्रकार के थे, हालांकि उन्होंने कुछ अन्य प्रजातियां भी खोजीं, जिनमें 'एक्रोमैबक्टर इनसोलिटस' (Achromobacter insolitus) और 'अल्कालिजेस फेसेलिस' (Alcaligenes faecalis) शामिल थे।
शोधकर्ताओं ने फिर विभिन्न परिस्थितियों में इन बैक्टीरिया द्वारा प्लास्टिक को तोड़ने की क्षमता का परीक्षण किया। वे जानना चाहते थे कि क्या बैक्टीरिया कुछ निश्चित तापमान पर, अम्लता या क्षारीयता के विभिन्न स्तरों पर बेहतर काम करते हैं, या क्या उन्हें काम करने के लिए अधिक समय की आवश्यकता होती है। इन चरों (variables) को मैप करने के लिए एक सांख्यिकीय दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, उन्होंने निर्धारित किया कि बैक्टीरिया 25 डिग्री सेल्सियस के मध्यम तापमान पर, पीएच 9 के साथ थोड़े क्षारीय वातावरण में, और लगभग 21 दिनों के ऊष्मायन (incubation) के बाद सबसे अच्छी तरह बढ़ते हैं और प्रभावी ढंग से प्लास्टिक का अपघटन करते हैं। ये स्थितियां अपेक्षाकृत सौम्य हैं, जो यह सुझाव देती हैं कि बैक्टीरिया को कार्य करने के लिए अत्यधिक गर्मी या कठोर रसायनों की आवश्यकता नहीं है।
यह देखने के लिए कि क्या मिलकर काम करने से मदद मिली, टीम ने प्रयोग किए जहाँ उन्होंने बैक्टीरिया को अकेले और समूहों में उगाया। उन्होंने एकल स्ट्रेन के बैक्टीरिया की तुलना एक ही कंटेनर में रहने वाली विभिन्न प्रजातियों के जोड़ों और यहाँ तक कि त्रिकों (triplets) से की। परिणामों ने एक स्पष्ट संख्यात्मक रुझान दिखाया जहाँ BC-AI जोड़े ने उच्चतम औसत वजन हानि (8.04%) प्राप्त की, इसके बाद अन्य समूह आए, हालांकि सांख्यिकीय विश्लेषण ने कुल मिलाकर उपचारों के बीच कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं दिखाया। जबकि प्लास्टिक का वास्तविक नुकसान छोटा था—28 दिनों में कुल वजन के 10 प्रतिशत से भी कम—इस पैटर्न ने सुझाव दिया कि विभिन्न बैक्टीरिया एक-दूसरे की मदद कर रहे होंगे। एक प्रजाति प्लास्टिक को छोटे, प्रबंधनीय टुकड़ों में तोड़ सकती है, जबकि दूसरी प्रजाति उन टुकड़ों का सेवन कर सकती है, जिससे सहयोग का एक चक्र बनता है जो एक एकल प्रकार का बैक्टीरिया अकेले प्राप्त नहीं कर सकता। उल्लेखनीय रूप से, प्रदर्शन समूहों के बीच भिन्न था; उदाहरण के लिए, ट्रिपल कल्चर (BC-AI-AF) ने BC-AI जोड़े की तुलना में कम वजन हानि दिखाई, जो यह दर्शाता है कि अधिक बैक्टीरिया का मतलब हमेशा बेहतर परिणाम नहीं होता है।
वैज्ञानिकों ने यह भी देखा कि बैक्टीरिया इस काम को करने के लिए किन रासायनिक उपकरणों का उपयोग कर रहे थे। उन्होंने लैकेज़ (laccase) नामक एक एंजाइम की गतिविधि को मापा, जो कठिन सामग्रियों को ऑक्सीकरण करने और तोड़ने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। जिस समूह में प्लास्टिक की सर्वाधिक वजन हानि हुई, उसने इस एंजाइम की उच्चतम मात्रा भी उत्पन्न की। यह संबंध बताता है कि बैक्टीरिया वास्तव में प्लास्टिक पर रासायनिक हमला कर रहे थे, अपने एंजाइमों का उपयोग करके पॉलीमर श्रृंखलाओं को थामे रखने वाले मजबूत बंधों को कमजोर कर रहे थे। यह पुष्टि करने के लिए कि क्या प्लास्टिक स्वयं बदल गया है, शोधकर्ताओं ने फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) तकनीक का उपयोग किया। यह विधि प्लास्टिक पर इन्फ्रारेड प्रकाश डालती है ताकि यह देखा जा सके कि इसकी आणविक संरचना कैसे प्रतिक्रिया करती है। उन्होंने पाया कि उपचारित प्लास्टिक में रासायनिक संशोधन के संकेत मिले, जैसे कि इसकी सतह पर ऑक्सीजन युक्त समूहों की उपस्थिति। यह इंगित करता है कि बैक्टीरिया ने सफलतापूर्वक प्लास्टिक की संरचना को बदल दिया था, जिससे यह आगे के टूटने के प्रति अधिक संवेदनशील हो गया।
इन उत्साहजनक संकेतों के बावजूद, अध्ययन ने इस कार्य की कठिनाई को भी रेखांकित किया। सांख्यिकीय विश्लेषण ने दिखाया कि समूहों के बीच वजन घटने में अंतर इतना बड़ा नहीं था कि 28 दिनों की समय सीमा के भीतर इसे निर्णायक रूप से सिद्ध माना जा सके। प्लास्टिक को तोड़ना वास्तव में बहुत कठिन कार्य है, और देखे गए परिवर्तन सूक्ष्म थे। हालांकि, भौतिक वजन हानि, उच्च एंजाइम गतिविधि और प्लास्टिक की संरचना में रासायनिक परिवर्तनों का संयोजन एक वास्तविक जैविक प्रक्रिया की ओर इशारा करता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि जबकि एक प्रकार का बैक्टीरिया पॉलीथीन में सेंध लगाने के लिए संघर्ष कर सकता है, विभिन्न बैक्टीरिया के समुदाय का एक साथ काम करने से कहीं अधिक क्षमता दिखाई देती है। उन्होंने पाया कि ये मिश्रित समूह केवल प्लास्टिक पर बेतरतीब ढंग से हमला नहीं कर रहे थे; वे अपने प्रयासों में समन्वय करते हुए प्रतीत होते थे, और सामग्री के विभिन्न हिस्सों को लक्षित कर रहे थे, जैसा कि एकल स्ट्रेन नहीं कर सकते।
यह कार्य वैश्विक प्लास्टिक संकट का तत्काल समाधान प्रदान नहीं करता है, न ही यह पॉलीथीन कचरे की समस्या को हल करने का दावा करता है। इसके बजाय, यह एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि प्रकृति अंततः कैसे मदद कर सकती है। यह सुझाव देता है कि प्लास्टिक के जैव-अपघटन की कुंजी शायद एक 'सुपर-बैक्टीरिया' खोजने में नहीं, बल्कि यह समझने में है कि विभिन्न सूक्ष्मजीव कैसे सहयोग कर सकते हैं। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि घाना के डंपसाइटों में पाए जाने वाले बैक्टीरिया में पॉलीथीन के साथ बातचीत करने और उसे संशोधित करने की क्षमता है, विशेष रूप से तब जब उन्हें एक टीम के रूप में काम करने की अनुमति दी जाती है। हालांकि यह प्रक्रिया धीमी है और लैब में परिणाम मामूली थे, मेटाबॉलिक सहयोग का प्रमाण भविष्य के अनुसंधान के लिए एक आशाजनक दिशा प्रदान करता है। यदि वैज्ञानिक इन प्राकृतिक साझेदारियों का लाभ उठाना सीख जाते हैं, तो वे एक दिन प्लास्टिक कचरे के प्रबंधन के ऐसे तरीके विकसित कर सकते हैं जो इसे केवल दफनाने या जलाने की तुलना में कहीं अधिक प्रभावी हों।
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