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

La plastica è diventata una caratteristica permanente del mondo moderno, ma la sua durabilità è anche il suo più grande difetto ambientale. Tra i molti tipi di plastica, il polietilene è il più comune, utilizzato in tutto, dai sacchetti della spesa ai film per imballaggi. È composto da lunghe catene di atomi di carbonio e idrogeno strettamente legati tra loro, il che rende il materiale incredibilmente resistente alla decomposizione naturale. Poiché queste catene sono così stabili e respingono l'acqua, i batteri e i funghi nel suolo faticano a riconoscerle come cibo. Di conseguenza, il polietilene si accumula nelle discariche e nell'ambiente, persistendo per decenni o addirittura secoli. Poiché bruciare o seppellire questo rifiuto crea altri problemi, come fumi tossici o suolo contaminato, gli scienziati guardano da tempo alla natura per una soluzione. La speranza è che determinati microrganismi possano evolversi o essere trovati in grado di rompere questi tenaci legami chimici, trasformando la plastica in sottoprodotti innocui. Questo processo, noto come biodegradazione, si affida agli enzimi — proteine specializzate prodotte dagli esseri viventi — per tagliare la plastica in pezzi più piccoli che i microbi possano consumare.

In uno studio recente condotto in Ghana, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di vedere se riuscissero a trovare batteri nel suolo locale in grado di mangiare il polietilene, e se mescolare diversi tipi di batteri insieme potesse rendere il processo più veloce. Hanno raccolto campioni di terreno da tre discariche attive nella città di Kumasi, aree dove i rifiuti di plastica si sono accumulati per molto tempo. Il team credeva che i batteri che vivono in questi punti specifici potessero essersi già adattati per sopravvivere grazie alla plastica. Hanno portato il terreno in laboratorio e lo hanno posto in contenitori con pezzi sminuzzati di polietilene a bassa densità, lo stesso materiale utilizzato per i comuni sacchetti di plastica. Durante diverse settimane, hanno lasciato crescere i batteri, selezionando solo quelli che sembravano utilizzare la plastica come fonte di cibo. Una volta isolati questi batteri, li hanno identificati utilizzando un metodo ad alta tecnologia che analizza le firme proteiche uniche di ogni microbo. Hanno scoperto che i batteri più comuni erano un tipo chiamato Bacillus cereus, sebbene avessero scoperto anche alcune altre specie, tra cui Achromobacter insolitus e Alcaligenes faecalis.

I ricercatori hanno poi testato quanto bene questi batteri potessero scomporre la plastica in diverse condizioni. Volevano sapere se i batteri funzionassero meglio a determinate temperature, a diversi livelli di acidità o alcalinità, o se avessero bisogno di più tempo per svolgere il lavoro. Utilizzando un approccio statistico per mappare queste variabili, hanno determinato che i batteri crescevano meglio e degradavano la plastica in modo più efficace a una temperatura moderata di 25 gradi Celsius, in un ambiente leggermente alcalino con un pH di 9, e dopo circa 21 giorni di incubazione. Queste condizioni sono relativamente miti, il che suggerisce che i batteri non abbiano bisogno di calore estremo o di sostanze chimiche aggressive per funzionare.

Per vedere se lavorare insieme aiutasse, il team ha allestito esperimenti in cui facevano crescere i batteri da soli e in gruppi. Hanno confrontato i ceppi singoli di batteri contro coppie e persino triadi di specie diverse che vivevano nello stesso contenitore. I risultati hanno mostrato una chiara tendenza numerica in cui la coppia BC-AI ha ottenuto la maggiore perdita di peso media (8,04%), seguita da altri gruppi, sebbene l'analisi statistica non abbia rivelato differenze significative tra i trattamenti complessivi. Sebbene l'effettiva quantità di plastica persa fosse piccola — meno del 10 percento del peso totale in 28 giorni — il modello suggeriva che i diversi batteri potessero aiutarsi a vicenda. Una specie potrebbe rompere la plastica in pezzi più piccoli e gestibili, mentre un'altra consuma quei pezzi, creando un ciclo di cooperazione che un singolo tipo di batterio non potrebbe raggiungere da solo. Significativamente, la performance variava tra i gruppi; ad esempio, la coltura tripla (BC-AI-AF) mostrava una perdita di peso inferiore rispetto alla coppia BC-AI, indicando che più batteri non garantiscono sempre risultati migliori.

Gli scienziati hanno anche cercato gli strumenti chimici che i batteri stavano usando per compiere questo lavoro. Hanno misurato l'attività di un enzima chiamato laccasi, noto per la sua capacità di ossidare e scomporre materiali resistenti. Il gruppo con la maggiore perdita di peso della plastica ha prodotto anche la maggiore quantità di questo enzima. Questa connessione suggerisce che i batteri stessero effettivamente attaccando chimicamente la plastica, usando i loro enzimi per indebolire i forti legami che tengono insieme le catene polimeriche. Per confermare che la plastica stessa fosse cambiata, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata Spettroscopia Infrarossa a Trasformata di Fourier. Questo metodo proietta luce infrarossa sulla plastica per vedere come la sua struttura molecolare risponda. Hanno scoperto che la plastica trattata mostrava segni di modifica chimica, come la comparsa di gruppi contenenti ossigeno sulla sua superficie. Ciò indica che i batteri avevano modificato con successo la struttura della plastica, rendendola più suscettibile a un'ulteriore scomposizione.

Nonostante questi segnali promettenti, lo studio ha anche evidenziato la difficoltà del compito. L'analisi statistica ha mostrato che le differenze nella perdita di peso tra i gruppi non erano abbastanza grandi da essere considerate definitivamente provate entro il periodo di 28 giorni. La plastica è semplicemente molto difficile da scomporre e i cambiamenti osservati sono stati sottili. Tuttavia, la combinazione di perdita di peso fisica, alta attività enzimatica e cambiamenti nella struttura chimica della plastica punta verso un reale processo biologico. I ricercatori hanno concluso che, sebbene un singolo tipo di batterio possa faticare a fare un buco nel polietilene, una comunità di diversi batteri che lavorano insieme mostra un potenziale molto maggiore. Hanno scoperto che questi gruppi misti non attaccavano la plastica casualmente; sembravano coordinare i loro sforzi, prendendo di mira diverse parti della struttura del materiale in un modo che i ceppi singoli non potevano fare.

Questo lavoro non offre una soluzione immediata alla crisi globale della plastica, né pretende di aver risolto il problema dei rifiuti di polietilene. Invece, fornisce un quadro più chiaro di come la natura possa eventualmente aiutare. Suggerisce che la chiave per biodegradare la plastica potrebbe non risiedere nel trovare un "super-batterio", ma nel comprendere come diversi microbi possano cooperare. Lo studio conferma che i batteri trovati nelle discariche del Ghana hanno la capacità di interagire con il polietilene e modificarlo, specialmente quando sono lasciati lavorare in squadra. Sebbene il processo sia lento e i risultati in laboratorio siano stati modesti, l'evidenza della cooperazione metabolica offre una direzione speranzosa per la ricerca futura. Se gli scienziati riusciranno a imparare a sfruttare queste partnership naturali, potrebbero un giorno sviluppare metodi per gestire i rifiuti plastici che siano molto più efficaci del semplice seppellirli o bruciarli.