נוסח השאלה המלא: האם יש חיידקים מייצרי מתאן, שמסוגלים לפרק פלסטיק, האם חומרים סינטטים יכולים להתפרק בסביבה אנ-אירובית?
פלסטיק הוא מונח המשמש לתאר מגוון רחב מאוד של חומרים שונים, כאשר הכוונה היא בדרך כלל לפולימרים שיוצרו בצורה סינטטית על ידי בני אדם. פולימרים הם מולקולות ענקיות הבנויות מחיבור יחדיו של הרבה מולקולות / יחידות קצרות (הנקראות 'מונומרים'). ישנם גם פולימרים בטבע – כמו התאית שמרכיבה את העץ (פולימר של הסוכר גלוקוז) או החלבונים שמהווים מרכיב עיקרי בבשר של בעלי החיים – הם למעשה גם פולימרים, של חומצות אמיניות, אבל בגלל שהפולימרים הללו הם טבעיים, הם אינם נקראים פלסטיק.
מעניין לציין שלפולימרים הטבעיים (כמו עץ ובשר) – יש הרבה מאוד חיידקים המסוגלים לפרק אותם (למעשה, החיידקים 'אוכלים' אותם) – כמו שכל אחד יודע, בשר, וגם עץ, אם אינם עוברים תהליך של שימור, נרקבים, מתפרקים, ונעלמים במהירות (תאית עמידה יותר מחלבון, אבל גם עץ הבנוי מתאית מתפרק תוך זמן לא רב בתנאי לחות וחום). כלומר – אין בעיה עקרונית לפרק פולימרים, הבעיה היא שאין לפולימרים הסינטטים (=הפלסטיקים) התאמה לתהליכים הביוכימיים של החיידקים, ולכן החיידקים מתקשים לפרק אותם.
מוצרי פלסטיק שונים. תמונה באדיבות ויקיפדיה.
כמעט כל הפלסטיקים לא ניתנים לידי פירוק על ידי חיידקים, וזה בגלל שמכילים שרשראות ארוכות של קשרי פחמן-פחמן, לרוב מוקפים באטומי מימן, קשרים כאלו הם מאוד מאוד יציבים, וקשה לעשות איתם כימיה, וגם לחיידקים קשה (עד בלתי אפשרי) לפרק אותם. בעיה נוספת היא שפלסטיקים רבים דוחים מים (מעטים הפלסטיקים שסופגים מים) ואילו כל החיים, כולל של החיידקים הם מבוססי מים, כך שאפילו הגישה של החיידק אל המולקולה עצמה שבונה את הפולימר היא קשה, אם היא דוחת מים.
כל הנ"ל מציב בעיית פסולת קשה: כל מוצרי הפלסטיק שאנחנו זורקים באופן יום-יומי לאשפה פשוט מצטברים והולכים באיזורי הטמנת האשפה, ואם לא נעשה משהו סופינו ש'נטבע' בים של אשפת פלסטיק שלא מתפרק. אולם, החיידקים כן מצליחים לפרק פלסטיקים, שמכילים קשרים כימיים הדומים לקשרים אותם למדו החיידקים לפרק במהלך מאות-מליוני שנות שהותם על כדור-הארץ. למשל –ב- 1975, נמצא חיידק (מסוג פלאבובקטריוום, Flavobacterium) שמסוגל לפרק את החומר ניילון 6, בתוך אתר של שפכים תעשייתיים של מפעל ניילון ביפן. הניילון הוא פלסטיק שהקשר הכימי שמחבר בין היחידות שבונות את השרשראות הארוכות שלו היא קשר 'אמידי' – קשר שמחבר יחד חומצה (COOH-) ואמין (NH2-).
מבנה שרשרת ניילון6, בירוק מסומנים הקשרים ה'אמידיים' הניתנים לפירוק.
אלה הם אותם הקשרים הכימיים בדיוק שבונים את החלבונים, ולכן לא מפתיע שתוך זמן קצר למדי של שנים מאז המצאת הניילון, ארעה בחיידק הזה מוטציה מיקרית (=שינוי בקוד הד.נ.א. של החיידק בו נמצאות ההוראות איזה חומרים החיידק צריך לייצר), שאיפשרה לאנזים קיים (שבמקור פירק חלבונים) לפרק ניילון. לאנזים של החיידק הזה, שמפרק ניילון, אפילו ניתן שם יחודי, ניילונאז (nylonase).
אבל, במקום להמתין לאבולוציה ומוטציות מקריות בחיידקים (שיכולות גם לא להתרחש כלל, הדעה הרווחת כיום היא שאין כוח מכוון חיצוני למוטציות שמניעות את האבולוציה) רעיון מוצלח בהרבה שגם מיושם לאחרונה הוא התהליך ההפוך: התאמת הפלסטיק לביוכימיה הקיימת בחיידקים. ניתן לבנות פלסטיקים עם קשרים כימיים המותאמים במיוחד לפירוק על ידי חיידקים, ועל ידי כך, פלסטיק שייזרק לטבע יאכל ויתפרק באופן טבעי על ידי החיידקים הקיימים בכל מקום בטבע. חומרים לדוגמא הם פולימר שעשוי מחומצת חלב (חומר שנמצא ביוגורטים, גבינה לבנה, וגם בשרירים שלנו כאשר אנחנו עושים מאמץ גופני מהיר ופתאומי). פולימר של חומצת חלב מכיל קשר אסטרי (קשר בין חומצה, COOH- , לבין כהל –OH.)
מבנה כימי של פולימר חומצת חלב, בירוק מסומנים הקשרים האסטריים, הניתנים לפירוק
קשר אסטרי כזה מפורק בקלות על ידי אנזימי אסטראזה (=מפרקי קשרים אסטריים) שקיימים בחיידקים רבים. פולימר אחר, ביו-דגרבילי (כלומר הניתן לפירוק על ידי יצורים ביולוגים), שנמצא בשימוש לאחרונה, בנוסף לפולימר חומצת החלב הנ"ל, הוא הפולימר בשם הארוך: פוליהידרוקסיאלקנואט (Polyhydroxyalkanoates או בקיצור PHA) הוא פולימר (יותר מדוייק, סדרה של פולימרים) מעולה מבחינת הפירוק שלהם, משום שהם קיימים גם בטבע, בתוך החיידקים עצמם, והם משמשים להם לאגירת אנרגיה בתוך גופם (ולכן הם גם מסוגלים לפרק אותם בקלות. דרך-אגב, גם הם מכילים קשרים אסטריים).
לגבי הסביבה האירובית (כלומר המכילה חמצן) או האנאירובית (כלומר ללא חמצן, כמו למשל פלסטיק שקבור תחת האדמה בתוך מזבלה) – התשובה היא שאפשרי פירוק ללא חמצן: על ידי חיידקים אנאירוביים, כלומר על ידי חיידקים שחיים בסביבה ללא חמצן. אבל שוב, דרוש מלכתחילה להשתמש בפלסטיק מהונדס, ביו-דגרבילי, המותאם לחיידקים הללו.
לגבי חיידקים מיצרי מתאן שבשאלתך – בדר"כ חיידקים שמיצרים גז מתאן, עושים זאת מתוך מולקולות מאוד מאוד קצרות, כמו חומצת חומץ (2 פחמנים בלבד) ולא מתוך מולקולות ענקיות, ולכן סביר להניח שאין ולא ימצאו חיידקים שיצליחו להפוך פלסטיק ישירות לגז מתאן, אולם אפשרי שילוב של חיידקים: חלק יפרקו את הפולימר למולקולות קצרות, וחלק יהפכו את המולקולות הקצרות לגז מתאן. (שוב, יש להתאים את הפלסטיק לבקטריות, ולא להפך, אם רוצים תהליך שיעבוד מיד, ובכל מקום).
שימו לב: מידע נוסף על פלסטיק - בפורום התגובות בתחתית התשובה
מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
