על פלסטיק וחיידקים

חומרי פלסטיק (מיוונית - נוח לעיצוב) הם מגוון חומרים סינתטיים וחצי סינתטיים, שאפשר, באמצעות חימום לחץ ותבניות מתאימות, לעצבם כמעט כל צורה רצויה. מבחינה כימית הם פולימרים (מורכבים ממונומרים - יחידות שחוזרות על עצמן). חלק מהמונומרים הם סינתטיים, אך אחרים הם טבעיים במקורם, כמו תאית, גומי או נפט.

היום קשה לנו לדמיין את חיינו בלי פלסטיק. תעשיות הפלסטיק ברחבי העולם מייצרות מדי שנה בשנה מיליארד טון מוצרים - כמחציתם מגיעים לאשפה: אריזות הפלסטיק, הבקבוקים ומוצרי פלסטיק אחרים שסיימו את תפקידם סותמים את מאגרי הפסולת ומזהמים כמעט כל מקום אפשרי בטבע, בים וביבשה. החומרים שמהם עשויים מוצרים אלה נשארים במצב כזה במשך עשרות ואף מאות שנים; הם אינם מתפרקים.

טובעים בפסולת פלסטיק
המקור

אמר פעם מישהו חכם, שלא משנה איזה חומר כימי ימציא האדם, בסופו של דבר יימצאו חיידקים, או מיקרואורגניזמים אחרים, שיפרקו אותו, וזה רק עניין של זמן. נשאלת השאלה האם יש בנמצא חיידקים מפרקי פלסטיק? האם נוכל להיעזר בהם לשם פירוק הפסולת הפלסטית? ובכן, יש כאלה! ואולם מפני שמוצרי הפלסטיק גדולים יחסית ושטח הפָּנים שלהם קטן החיידקים שמגיעים אליהם פועלים באטיות רבה.

לפני כשנה (במחצית 2008), ביריד המדע של אוטווה, הציג הנער הקנדי דניאל בארד (Burd) כיצד הצליח לבודד חיידקים מפרקי שקיות ניילון (פוליאתילן). בארד, אז תלמיד כיתה י"א, זכה בפרס הראשון ביריד (10,000 דולר ומלגת לימודים של 20,000 דולר).

כיצד בודד בארד את החיידקים? ראשית, הוא הכין אבקת פלסטיק מהניילונים שהצטברו אצלו בבית. את האבקה הזו הוסיף לתמיסה שהכילה תמצית שמרים ומי ברז, עם מעט אדמה. את הכלי המכיל את התמיסה טלטל במכשיר טלטול (shaker - כדי לאפשר מגע מקסימלי עם אוויר ועם אבקת הניילון, שאינה מסיסה) בטמפרטורה של כ-30 מעלות במשך שלושה חודשים. בצורה זו הוא "העשיר" את התמיסה בחיידקי האדמה מפרקי הפלסטיק. זאת משום שהתמיסה הכילה חיידקי אדמה רבים ממינים שונים ורק למיעוט קטן ביותר מביניהם היתה יכולת לפרק פלסטיק. מאחר שהמקור העיקרי בתמיסה לאנרגיה ולפחמן היה הפלסטיק, למפרקי הפלסטיק היתה אפשרות להתרבות, בעוד שלאחרים האפשרות להתרבות היתה מוגבלת יותר.

לאחר שלושת החודשים הפריד בארד בין החיידקים שבתמיסה משאריות המצע, וחילק אותם לארבעה כלים, המכילים תמיסת גידול עם פיסות ניילון שמשקלן נמדד. באחד, כלי הביקורת, הורתחה תרבית החיידקים לפני הכנסתה - כך שהחיידקים שהוספו היו מתים.

לאחר עוד שישה שבועות של טלטול הוציא בארד את פיסות הפלסטיק מארבעת הכלים ושקל אותן: כצפוי, המשקל לא השתנה בכלי הביקורת. בשלושת הכלים האחרים ירד משקל הפלסטיק ב-17% בממוצע.

בשלב הבא זרע בארד את תערובת החיידקים שבתמיסה על מצע גידול מוצק (בצלחות פטרי) וכך הצליח לבודד ארבעה מינים שונים של חיידקים. בסדרת ניסויים דומים לאלה שתיארנו, אך שבכל כלי מין אחד בלבד של חיידקים, נראה שרק אחד מהם, שזוהה אחר-כך כמין של Sphingomonas, היה "אחראי" לפירוק הפלסטיק. בניסויים נוספים, נמצא שחיידק זה הגביר את קצב התרבותו ואת יעילות הפירוק של הפלסטיק כאשר גדל בנוכחות אחד החיידקים האחרים, שזוהה אחר-כך כמין של Pseudomonas.

בשלב הבא נמצאה הטמפרטורה האופטימלית לפעילות צמד החיידקים, 37 מעלות, וגם נמצא שהוספת המלח נתרן אצטט מגבירה את יעילות הפירוק ל-43% בששה שבועות.

את הפרויקט המוצלח הזה ביצע בארד בהדרכת המורה שלו, מארק מנהנט (Menhennet).

במעבדות מחקר ברחבי בעולם מצליחים לבודד בשיטות דומות חיידקים המפרקים גם סוגי פלסטיק אחרים. התקווה היא שברבות הימים יצליחו למצוא את הדרך לממש את הגילויים של החיידקים האלה לניצולם במזבלות העמוסות לעייפה.

חיידקים מייצרי פלסטיק

חיידקים מסוימים אוגרים חומרי תשמורת שונים במדורים מיוחדים בתאיהם. מהם שאוגרים חומרי תשמורת "רגילים", כעמילן או גליקוגן, אך אחרים אוגרים, בתנאים של רווחה (עודף גדול של מקורות פחמן ואנרגייה) חומרי תשמורת שהם בעצם חומרים פלסטיים. הם מנצלים חומרים אלה כשהתנאים משתנים לרעה. כקבוצה, חומרים אלו מכונים Poly hydroxyalkanoate (ובקיצור PHAs). חומרי תשמורת אלה, ועוד חומרים דומים ממקור צמחי או ביולוגי אחר, מכונים פלסטיק ביולוגי, או ביופלסטיק.

PHAs
Berserker79, ויקיפדיה האנגלית

גם חיידקים אחרים, שאינם מייצרים PHAs, אך החיים בשכנות לחיידקים המייצרים, מפרישים לסביבה אנזים, המכונה depolymerase, המסוגל לפרק את ה-PHAs.

הגופיפים המאכסנים את חומרי תשמורת חיידקיים נצפו לראשונה ב-1888 על-ידי מרטינוס בירינק (Beijerinck). ב-1926 גילה לראשונה החוקר הצרפתי מוריס למוין (Lemoigne) את תכולתם "הפלסטית" של גופיפי התשמורת של החיידק Bacillus megaterium. פטנטים ראשונים בנושא הוגשו בארצות הברית כבר ב-1962, אך רק בשנות השבעים של המאה הקודמת, באחד מהמשברים במחירי הנפט, החלו לשקול ברצינות את השימוש בהם בתעשיית הפלסטיק. את הפלסטיק המסחרי החיידקי הראשון ייצרה ב-1982 החברה הבריטית Imperial chemical industries (ICI) והוא כונה Biopol. ב-1990 נמכרו בגרמניה בקבוקי שמפו מביופלסטיק של חברת Wella.

היתרון הגדול בחומרי פלסטיק חיידקיים אלה הוא שהחיידקים המייצרים אותם, וגם אחרים, גם מפרקים אותם בשעת הצורך, ולכן הם ימוחזרו בקלות יחסית לחומרים הפלסטיים האחרים. אפשר גם לשנות את הרכב הפלסטיק, גמישותו וחוזקו בהתאם לחומרי המזון אותם מקבלים החיידקים.

הביופלסטיק לא מיצב את עצמו בשוק בגלל מחירו: עלות ייצורם של החומרים הביופלסטיים גבוהה במידה ניכרת מעלות ייצורם של חומרי פלסטיק מבוססי נפט, שהם כה בעייתיים מבחינת ההשלכות על הסביבה. העלות אמנם ירדה במקצת, אך לא מספיק, כששיבטו חלק מהגנים החיידקיים המתאימים בצמחים, והפיקו את הפלסטיק הביולוגי מהצמחים המהונדסים.

כיום מדובר בעיקר בשני חומרים ביופלסטיים, שמהם מרכיבים גם שלישי: פולימר של חומצה בוטירית - Poly β-hydroxybutyrate (ובקיצור PHB), המופק בעיקר מחיידקי Ralstonia eutropha (לאחר שהביסו מבחינה כלכלית מינים רבים אחרים), ופולימר של חומצה פנטנואית -Poly β-hydroxyvalerate (ובקיצור PHV). חומרים פלסטיים אלה אפשר לייצרם במתקנים תעשייתיים בכמויות גדולות, אך איכות הפלסטיק לא תמיד מתאימה למטרות.

פולימר טבעי, שמכיל לסירוגין את המונומרים של כל אחד מהם בנפרד (PHB-V), ונמצא מתאים יותר, מיוצר גם הוא על-ידי Paracoccus denitrificans וחיידקים אחרים. עכשיו צריך ולנסות "להנדס" את החיידקים המייצרים כדי שייצרו את הפולימר המשולב בכמויות גדולות יותר, או לחילופין למצוא את הדרך לסנתז אותו בצורה מלאכותית.

לסיכום:

חיידקים מפרקי פלסטיק קיימים, אך יש למצוא את הדרך כיצד לרתום אותם בצורה יעילה לפירוק הפסולת הפלסטית המצטברת במזבלות. במקביל, יש להחליף בהקדם האפשרי את הפלסטיק בביופלסטיק, המתמחזר בקלות. זה כנראה יקרה רק לאחר שיעלו מחירי הנפט ו/או תעלה חשיבותה של השמירה על הסביבה על השיקול הכלכלי הצר, אז גם יפנו יותר משאבים כספיים לקידום העניין.

פורסם במקור ב"גליליאו" גיליון 132, אוגוסט 2009. עודכן (2022)