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

Plastic is een vast onderdeel van de moderne wereld geworden, maar de duurzaamheid ervan is ook de grootste milieuproblematiek. Onder de vele soorten plastic is polyethyleen het meest voorkomend, gebruikt in alles van boodschappentassen tot verpakkingsfolies. Het is gemaakt van lange ketens van koolstof- en waterstofatomen die stevig aan elkaar gebonden zijn, wat het materiaal ongelooflijk resistent maakt tegen natuurlijke afbraak. Omdat deze ketens zo stabiel zijn en water afstoten, hebben bacteriën en schimmels in de bodem moeite om ze als voedsel te herkennen. Als gevolg hiervan hoopt polyethyleen zich op in stortplaatsen en het milieu, waarbij het decennia of zelfs eeuwenlang persisteert. Hoewel het verbranden of begraven van dit afval andere problemen veroorzaakt, zoals giftige dampen of vervuilde grond, heeft de wetenschap lang naar de natuur gezocht voor een oplossing. De hoop is dat bepaalde micro-organismen kunnen evolueren of gevonden kunnen worden die deze taaie chemische verbindingen kunnen verbreken, waardoor het plastic wordt omgezet in onschadelijke bijproducten. Dit proces, bekend als biologische afbraak, vertrouwt op enzymen — gespecialiseerde eiwitten die door levende wezens worden geproduceerd — om het plastic in kleinere stukjes te snijden die microben kunnen consumeren.

In een recente studie uitgevoerd in Ghana probeerden onderzoekers te zien of ze bacteriën in de lokale bodem konden vinden die polyethyleen konden eten, en of het mengen van verschillende soorten bacteriën het proces zou versnellen. Ze verzamelden bodemmonsters van drie actieve vuilnisbelten in de stad Kumasi, gebieden waar plastic afval al lange tijd zich ophoopt. Het team geloofde dat de bacteriën die in deze specifieke plekken leven, zich mogelijk al aangepast hebben om op plastic te overleven. Ze namen de grond mee naar het laboratorium en plaatsten het in containers met versnipperde stukjes laag-densiteit polyethyleen, hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt voor veelvoorkomende plastic zakken. Gedurende enkele weken lieten ze de bacteriën groeien, waarbij ze alleen diegenen selecteerden die leken het plastic als voedingsbron te gebruiken. Zodra ze deze bacteriën hadden geïsoleerd, identificeerden ze hen met behulp van een hoogtechnologische methode die de unieke eiwithandtekeningen van elk microob analyseert. Ze ontdekten dat de meest voorkomende bacteriën een type genaamd Bacillus cereus waren, hoewel ze ook een paar andere soorten ontdekten, waaronder Achromobacter insolitus en Alcaligenes faecalis.

De onderzoekers testten vervolgens hoe goed deze bacteriën het plastic konden afbreken onder verschillende omstandigheden. Ze wilden weten of de bacteriën beter werkten bij bepaalde temperaturen, bij verschillende niveaus van zuurgraad of alkaliniteit, of dat ze meer tijd nodig hadden om de klus te klaren. Met behulp van een statistische benadering om deze variabelen in kaart te brengen, stelden zij vast dat de bacteriën het beste groeiden en het plastic het meest effectief afbraken bij een gematigde temperatuur van 25 graden Celsius, in een licht alkalische omgeving met een pH van 9, en na ongeveer 21 dagen incubatie. Deze omstandigheden zijn relatief mild, wat suggereert dat de bacteriën geen extreme hitte of harde chemicaliën nodig hebben om te functioneren.

Om te zien of samenwerken hielp, zetten het team experimenten op waarbij ze de bacteriën alleen en in groepen kweekten. Ze vergeleken enkelvoudige bacteriestammen met paren en zelfs trios van verschillende soorten die in hetzelfde vat leefden. De resultaten toonden een duidelijke numerieke trend waarbij het BC-AI-paar het hoogste gemiddelde gewichtsverlies bereikte (8,04%), gevolgd door andere groepen, hoewel de statistische analyse geen significante verschillen tussen de behandelingen als geheel liet zien. Hoewel de werkelijke hoeveelheid verloren gegaan plastic klein was — minder dan 10 procent van het totale gewicht over 28 dagen — suggereerde het patroon dat de verschillende bacteriën elkaar misschien helpen. De ene soort breekt het plastic af in kleinere, hanteerbare stukjes, terwijl een andere soort die stukjes consumeert, waardoor een cyclus van samenwerking ontstaat die een enkel type bacterie niet alleen zou kunnen bereiken. Opvallend genoeg varieerde de prestatie tussen de groepen; bijvoorbeeld vertoonde de drievoudige cultuur (BC-AI-AF) minder gewichtsverlies dan het BC-AI-paar, wat aangeeft dat meer bacteriën niet altijd betere resultaten garanderen.

De wetenschappers keken ook naar de chemische instrumenten die de bacteriën gebruikten om dit werk te doen. Ze maten de activiteit van een enzym genaamd laccase, dat bekend staat om zijn vermogen om taaie materialen te oxideren en af te breken. De groep met het hoogste plastic gewichtsverlies produceerde ook de hoogste hoeveelheid van dit enzym. Deze connectie suggereert dat de bacteriën het plastic inderdaad chemisch aanvielen, waarbij ze hun enzymen gebruikten om de sterke verbindingen die de polymeerketens bij elkaar houden, te verzwakken. Om te bevestigen dat het plastic zelf was veranderd, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd Fourier-Transform Infrarood Spectroscopie. Deze methode schijnt infrarood licht op het plastic om te zien hoe de moleculaire structuur reageert. Ze vonden dat het behandelde plastic tekenen vertoonde van chemische modificatie, zoals de verschijning van zuurstofhoudende groepen op het oppervlak. Dit geeft aan dat de bacteriën de structuur van het plastic succesvol hebben veranderd, waardoor het vatbaarder is voor verdere afbraak.

Ondanks deze veelbelovende tekenen benadrukte de studie ook de moeilijkheid van de taak. De statistische analyse toonde aan dat de verschillen in gewichtsverlies tussen de groepen niet groot genoeg waren om binnen de tijdspanne van 28 dagen definitief bewezen te worden. Plastic is simpelweg erg moeilijk af te breken en de waargenomen veranderingen waren subtiel. Echter, de combinatie van fysiek gewichtsverlies, hoge enzymactiviteit en chemische veranderingen in de plasticstructuur wijst op een echt biologisch proces. De onderzoekers concludeerden dat hoewel een enkel type bacterie moeite kan hebben om een deuk in polyethyleen te slaan, een gemeenschap van verschillende bacteriën die samenwerken veel meer potentieel laat zien. Ze vonden dat deze gemengde groepen het plastic niet alleen willekeurig aanvielen; ze leken hun inspanningen te coördineren door verschillende delen van de materiaalstructuur aan te pakken op een manier die enkelvoudige stammen niet konden.

Dit werk biedt geen onmiddellijke oplossing voor de wereldwijde plasticcrisis, noch beweert het het probleem van polyethyleenafval te hebben opgelost. In plaats daarvan geeft het een duidelijker beeld van hoe de natuur uiteindelijk kan helpen. Het suggereert dat de sleutel tot de biologische afbraak van plastic misschien niet ligt in het vinden van één super-bacterie, maar in het begrijpen van hoe verschillende microben kunnen samenwerken. De studie bevestigt dat de bacteriën gevonden in Ghanese vuilnisbelten de capaciteit hebben om met polyethyleen te interageren en het te modificeren, vooral wanneer ze als een team mogen werken. Hoewel het proces traag is en de resultaten in het laboratorium bescheiden waren, biedt het bewijs van metabole samenwerking een hoopvolle richting voor toekomstig onderzoek. Als wetenschappers leren deze natuurlijke partnerschappen te benutten, kunnen ze op een dag methoden ontwikkelen om plastic afval te beheren die veel effectiever zijn dan het simpelweg begraven of verbranden ervan.