الكائنات الحية التي تتغذى على البلاستيك

يمشط العلماء مواقع النفايات في مختلف أنحاء العالم بحثًا عن بكتيريا وفطريات وحتى حشرات تحمل إنزيمات يمكن الاستفادة منها في تفكيك أنواع مختلفة من البوليمرات. ولا تزال الأبحاث في مراحلها المبكرة، لكن إذا أمكن توسيع نطاق هذه الجهود بكفاءة، فقد يسهم هذا النوع من إعادة التدوير البيولوجي في الحد من مشكلة النفايات البلاستيكية.

في صباح ربيعي غائم من عام 2012، كانت فيديريكا بيرتوكيني تعتني بنحل العسل بالقرب من منزلها في سانتاندير، على الساحل الشمالي الخلاب لإسبانيا. وتقول بيرتوكيني، وهي مربية نحل هاوية، إن إحدى خلايا النحل كانت «موبوءة بالديدان»، في إشارة إلى يرقات عثة الشمع المزعجة التي تتمتع بشهية شرهة ومدمرة.

أخرجت بيرتوكيني الديدان، ووضعتها في كيس بلاستيكي، ثم واصلت أعمالها في تربية النحل. وعندما عادت إلى الكيس بعد بضع ساعات، لاحظت شيئًا غريبًا، فقد كان مليئًا بثقوب صغيرة.

أثار ذلك فضول العالمة. هل كانت الديدان الجائعة قد قضمت البلاستيك فحسب، أم أنها غيرت تركيبه الكيميائي أيضًا؟ وأكدت اختبارات سريعة أجرتها في مختبرها، على نحو مفاجئ، الاحتمال الثاني، إذ تبين أن شيئًا موجودًا في لعاب الديدان كان قد أدى إلى تحلل البلاستيك. تقول بيرتوكيني، وهي عالمة أحياء تطورية كانت تعمل سابقًا في المجلس الوطني الإسباني للبحوث: «منذ تلك اللحظة، بدأت الأبحاث».

وتشارك بيرتوكيني الآن في تأسيس شركة Plasticentropy، وهي واحدة من العديد من الشركات الناشئة والمجموعات البحثية التي ظهرت خلال السنوات الأخيرة وتسعى إلى تطوير وسائل مستوحاة من الطبيعة لإعادة تدوير البلاستيك. وقد يوفر هذا النوع من إعادة التدوير البيولوجي بدائل أكثر فاعلية وصداقة للبيئة لبعض أساليب إعادة التدوير الحالية التي تعاني من مشكلات عديدة.

ويبحث العلماء في مكبات النفايات وساحات تفكيك السيارات وغيرها من المواقع التي تعج بالتلوث البلاستيكي، عن كائنات حية قد تكون قادرة على تفكيك البلاستيك إلى مكوناته الأساسية. ومن خلال أخذ هذه الكائنات الدقيقة وتعزيز قدرتها على التهام البوليمرات في المختبر، يأمل العلماء في إيجاد طريقة فعالة لاستعادة اللبنات الأساسية التي يتكون منها البلاستيك. وبعد ذلك يمكن استخدام هذه الوحدات الفرعية في تصنيع مواد جديدة، ما يتيح إنشاء حلقة من «إعادة التدوير اللانهائية».

لا تزال الأبحاث في مراحلها المبكرة، والعثور على إنزيمات مناسبة لهذه المهمة ليس سوى الخطوة الأولى. لكن إعادة التدوير البيولوجي يمكن أن تكون أداة قيّمة في مواجهة مشكلة البلاستيك المتنامية باستمرار.

يقول عالم الأحياء البنيوي جون ماكجيهان، وهو مستشار متخصص في تفكيك البلاستيك ويركز على اكتشاف الإنزيمات وهندستها بهدف إعادة تدوير البلاستيك: «هناك مجموعات تعمل على هذا الأمر في جميع أنحاء العالم، مئات المجموعات وآلاف العلماء، وهذا أمر مذهل حقًا».

مشكلات إعادة التدوير

لا يمكن أن تأتي هذه الجهود في وقت مبكر بما يكفي. فمنذ أن بدأ تصنيع البلاستيك على نطاق واسع في خمسينيات القرن العشرين، ارتفع الإنتاج بصورة هائلة. وتشير التقديرات إلى أننا ننتج ما يقرب من 460 مليون طن من البلاستيك سنويًا، أي ما يعادل وزن نحو 2.3 مليون حوت أزرق.

ولسوء الحظ، ينتهي المطاف بمعظم هذا البلاستيك إلى الحرق أو الدفن في مكبات النفايات أو إلقائه في البيئة. وليس من المستغرب أن يكون البلاستيك قد وصل إلى كل ركن من أركان كوكبنا. فمن أعماق المحيطات إلى القطبين، بل إنه يسقط أيضًا مع الأمطار. كما يوجد البلاستيك في أجسامنا، إذ أُبلغ عن وجود آثاره في المشيمة وحليب الأم والدم البشري. وقد ارتبط استخدام البلاستيك والتخلص منه بعدة مشكلات صحية وبيئية.

وعلى الرغم من هذه المشكلات، لا يزال الطلب على البلاستيك بلا توقف، وتشير التوقعات إلى أن الإنتاج سيتجاوز 1,000 مليون طن بحلول عام 2050. ويرجع ذلك بدرجة كبيرة إلى صعوبة استبدال البلاستيك، فهو مادة مثالية للمصنعين، إذ يتميز بخفة الوزن وسهولة التشكيل، ويمكن منحه مجموعة شبه لا نهائية من الخصائص.

وبما أن استبدال جميع أنواع البلاستيك ليس أمرًا واقعيًا، فإن الخيار الأفضل التالي يتمثل في تقليل إنتاج المواد البلاستيكية البكر المصنوعة من الوقود الأحفوري، واستعادة كمية أكبر من البلاستيك الموجود بالفعل وإعادة استخدامه. وبعبارة أخرى، رفع معدلات إعادة تدوير البلاستيك عالميًا من مستواها الحالي المتدني، الذي يبلغ نحو 9%.

وتتعدد أسباب انخفاض هذه النسبة. فالبلاستيك يصعب تفكيكه، ويمكنه امتصاص مواد كيميائية ضارة أثناء عملية إعادة التدوير، كما توجد آلاف الأنواع من البلاستيك، ولكل منها تركيبه الخاص وإضافاته الكيميائية وملوناته. ولا يمكن إعادة تدوير العديد من هذه الأنواع معًا.

يقول يوهان كيرس، عالم الأحياء التركيبي والشريك المؤسس لشركة Birch Biosciences المتخصصة في إعادة التدوير الإنزيمي ومقرها ولاية أوريغون: «لدينا مشكلة كبيرة تتعلق بإدخال البلاستيك في نظام دائري لإعادة الاستخدام. يمكننا إعادة تدوير الألومنيوم، ويمكننا إعادة تدوير الورق، لكننا لا نستطيع، مهما حاولنا، إعادة تدوير البلاستيك بطريقة جيدة».

الطبيعة تقدم مخططًا للحل

قد تسهم إعادة التدوير البيولوجي في الحد من مشكلة البلاستيك. وتعتمد هذه العملية على استخدام الإنزيمات، وهي أدوات العمل الأساسية في الكيمياء الحيوية التي تسرّع التفاعلات، لتفكيك البوليمرات البلاستيكية إلى وحداتها الفرعية التي تسمى المونومرات. ويمكن بعد ذلك استخدام هذه المونومرات لصناعة أنواع جديدة من البلاستيك.

يقول ماكجيهان: «الشيء الرائع في الإنزيمات هو أنك تستعيد اللبنات الأساسية. وهذه العملية يمكن أن تكون مستمرة بلا نهاية، ولذلك فهي جذابة للغاية».

وقد يحول هذا النهج البلاستيك المستخدم إلى مورد ذي قيمة بدلًا من أن يكون مصدرًا للنفايات، بحسب تينغ شو، عالمة البوليمرات في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، التي شاركت في تأليف مراجعة حول المواد الهجينة البيولوجية والتركيبية في مجلة Annual Review of Physical Chemistry عام 2013.

تعود الأبحاث المتعلقة بالإنزيمات التي تتغذى على البلاستيك إلى سبعينيات القرن العشرين على الأقل، لكن هذا المجال شهد انتعاشًا كبيرًا في عام 2016، عندما نشر فريق من العلماء اليابانيين دراسة رائدة في مجلة Science وصفوا فيها سلالة جديدة من البكتيريا التي تتغذى على البلاستيك. وقاد الفريق عالم الأحياء الدقيقة كوهِي أودا في معهد كيوتو للتكنولوجيا، واكتشف أن الكائن الدقيق، الذي أُطلق عليه اسم Ideonella sakaiensis 201 F6، يستخدم بلاستيك PET، وهو نوع من البوليستر يُستخدم على نطاق واسع في زجاجات المشروبات والألياف، بوصفه مصدره الرئيسي للطاقة والغذاء.

وعثر الباحثون على هذا الكائن الدقيق في بعض الرواسب التي جمعوها، بعدما أمضوا وقتًا طويلًا في فحص 250 عينة بيئية جمعوها من مصنع لإعادة تدوير الزجاجات يقع خارج مدينة أوساكا مباشرة. وكشفت اختبارات إضافية أن I. sakaiensis يمكنه تفكيك PET بالكامل تقريبًا خلال ستة أسابيع.

ومنذ ذلك الحين، اكتشف العلماء كائنات دقيقة تتغذى على البلاستيك في مواقع مختلفة حول العالم، من بينها كومة من السماد العضوي في مقبرة بمدينة لايبزيغ الألمانية، وموقع للتخلص من النفايات في العاصمة الباكستانية إسلام آباد، وحطام متآكل جرفته المياه إلى شاطئين في مدينة خانيا باليونان. كما كشف تحليل واسع النطاق لأكثر من 200 مليون جين موجودة في الحمض النووي الحر الطافي في بيئات تشمل المحيطات، والتربة السطحية للتندرا القطبية الشمالية، والسافانا، وغابات مختلفة، عن 30,000 إنزيم مختلف يحتمل أن تكون لها قدرة على تفكيك البلاستيك، بحسب ما أفاد فريق من الباحثين في عام 2021.

لكن اكتشاف الإنزيمات ليس سوى الخطوة الأولى. وعلى الرغم من أن العديد من الإنزيمات التي تخضع للدراسة حاليًا سريعة المفعول وتعمل جيدًا في ظروف معتدلة، فإن العلماء يضطرون عادةً إلى تعديلها لتحسين أدائها. فعلى سبيل المثال، قام ماكجيهان، بالتعاون مع زملائه في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في كولورادو وأماكن أخرى، بهندسة إنزيمين مسؤولين عن قدرة I. sakaiensis على التهام البلاستيك، بهدف تعزيز أدائهما، ثم ربطهما معًا لإنشاء «خليط إنزيمي» قادر على تفكيك PET بسرعة تزيد ست مرات على ما كان ممكنًا في السابق.

ويستخدم العلماء أيضًا الذكاء الاصطناعي لتعزيز الخصائص المرغوبة في الإنزيمات التي تعمل على تفكيك البلاستيك بسرعة أكبر، والتي تكون أقل انتقائية تجاه المواد المستهدفة، والتي تستطيع تحمل نطاق أوسع من درجات الحرارة.

وتشير البيانات المبكرة إلى أن إعادة التدوير البيولوجي قد تكون ذات بصمة كربونية أصغر من تصنيع البلاستيك من جديد. فعلى سبيل المثال، أدى استخدام الإنزيمات لتفكيك PET والحصول على أحد مونومراته، وهو حمض التيرفثاليك، إلى خفض انبعاثات غازات الدفيئة بما يصل إلى 43% مقارنة بإنتاج حمض التيرفثاليك من الصفر، وفق تقدير صدر عام 2021.

أهداف مناسبة للإنزيمات

بالطبع، لا يمثل PET سوى نوع واحد من أنواع البلاستيك العديدة، التي تُقسم عمومًا إلى سبع فئات أو أكثر، اعتمادًا على عوامل مثل تركيبها الكيميائي. وعلى أحد طرفي هذا النطاق توجد أنواع البلاستيك التي تحتوي على هياكل رئيسية مختلطة الكربون، أي بوليمرات تتكون من سلسلة أساسية مركزية من الكربون تتخللها ذرات أخرى مثل الأكسجين والنيتروجين. وفي الوقت الحالي، تعد هذه الأنواع من البلاستيك الأكثر ملاءمة لإعادة التدوير البيولوجي إلى حد كبير، لأن الإنزيمات المتاحة تستطيع تفكيك نوع الروابط الكيميائية الموجودة في هذه السلسلة الكربونية المختلطة. ويصف آندي بيكفورد، عالم الفيزياء الحيوية الجزيئية في جامعة بورتسموث بالمملكة المتحدة، هذه الخاصية بأنها «نوع من نقطة الضعف» في المادة.

يمتلك PET هذا النوع من السلاسل الأساسية، إذ تتخلل الكربون فيه ذرات من الأكسجين. ويوجد PET بصورة شائعة في المنسوجات وزجاجات المشروبات الغازية، ويمثل نحو خُمس أنواع البلاستيك المنتجة سنويًا، ولذلك فهو هدف رئيسي لدى العاملين في مجال إعادة التدوير البيولوجي، كما أنه الأقرب إلى التطبيق على نطاق تجاري. فعلى سبيل المثال، تخطط شركة Carbios الفرنسية لافتتاح مصنع لإعادة التدوير البيولوجي في شمال فرنسا عام 2025، بهدف إعادة تدوير 50,000 طن من نفايات PET سنويًا.

وتستخدم الشركة إنزيمًا خاصًا جرى التعرف إليه أولًا في كومة من السماد العضوي، ثم عدّله الباحثون لتعزيز قدرته على تفكيك الروابط الموجودة في PET، ولجعله قادرًا على تحمل درجات الحرارة المرتفعة التي يصبح عندها البلاستيك منصهرًا ولينًا. وأفاد علماء من شركة Carbios وشريكها الأكاديمي، معهد تولوز للتكنولوجيا الحيوية، في مجلة Nature عام 2020 بأن الإنزيم يستطيع تفكيك 90% من PET خلال 10 ساعات.

وتخطط شركة ناشئة أخرى، هي Samsara Eco ومقرها أستراليا، لإطلاق منشأة مماثلة تبلغ طاقتها 20,000 طن في ملبورن عام 2024، وستركز أيضًا على PET.

كما أن أنواع البلاستيك التي تمتلك تركيبًا كيميائيًا مشابهًا لـPET، مثل البولي أميدات والبولي يوريثانات، تعد أهدافًا واعدة لإعادة التدوير الإنزيمي، لأنها بطبيعتها قابلة للتفكيك بواسطة الإنزيمات، بحسب بيكفورد، الذي يعمل فريقه في بورتسموث على الأنواع الثلاثة من البلاستيك.

وإلى جانب PET، تعمل شركة Samsara حاليًا على النايلون، وهو نوع من البولي أميد الصناعي يوجد عادةً في الأقمشة والمنسوجات. وفي مايو، أعلنت الشركة عن شراكة متعددة السنوات مع العلامة الرياضية الشهيرة Lululemon لإنتاج ملابس من النايلون والبوليستر «يعاد تدويرها إلى ما لا نهاية» من الملابس المستعملة.

كما يدرس الباحثون مادة البولي يوريثان، التي تشكل نحو 8%، أو 25 مليون طن، من إجمالي البلاستيك العالمي، وتوجد بكثرة في المواد الرغوية مثل حشوات الأثاث، وكذلك في الحفاضات والإسفنج والأحذية الرياضية. وتستطيع أنواع مختلفة من الكائنات الدقيقة تفكيك بعض أنواع البولي يوريثان، وقد ركز فريق كيرس في Birch Biosciences على نحو 50 إنزيمًا مختلفًا قادرًا على تفكيك البولي يوريثان لاختبارها، لكن البوليمرات تمثل مجموعة متنوعة من الناحية البنيوية، ومن المرجح أن تتطلب استراتيجيات متنوعة.

بعض المشكلات الأكثر صعوبة

في حين تبدو إعادة التدوير الإنزيمي واعدة بالنسبة إلى أنواع البلاستيك ذات السلاسل الأساسية المختلطة، فإن التوقعات ليست مشرقة بالقدر نفسه بالنسبة إلى الأنواع الموجودة في الطرف الآخر من النطاق، وهي البلاستيك ذو السلاسل الأساسية المكونة من الكربون النقي. وتضم هذه المجموعة المتنوعة البولي فينيل كلوريد، المعروف باسم PVC، والبولي فينيل الكحول، المعروف باسم PVA، والبوليسترين والبولي إيثيلين، الذي يُستخدم في صناعة الأكياس البلاستيكية المنتشرة في كل مكان. ويقول بيكفورد إن إعادة التدوير البيولوجي لهذه الأنواع من البلاستيك أكثر تحديًا بكثير. ويضيف: «إنها دهنية نوعًا ما بالنسبة إلى الإنزيمات، فلا يوجد الكثير مما يستطيع الإنزيم الإمساك به».

ومع ذلك، يعمل بعض العلماء على هذه الأنواع صعبة التفكيك، ومن بينهم بيرتوكيني في إسبانيا. تقول: «لسبب ما، ركزت على الأكياس البلاستيكية، التي تعتمد على البولي إيثيلين». ويُستخدم البولي إيثيلين أيضًا على نطاق واسع في أغشية تغليف الأغذية وحاويات الطعام الجاهز، وهو بفارق كبير أكبر فئات البلاستيك تصنيعًا في الوقت الحالي، إذ يستحوذ على أكثر من 25% من السوق. وبعد مرور عقد على اكتشافهم العرضي، تمكنت بيرتوكيني وفريقها في Plasticentropy من تحديد الإنزيمات المسؤولة عن تفكيك البلاستيك في لعاب ديدان عثة الشمع، وأطلقوا عليها اسمي Demetra وCeres. وتعمل هذه الإنزيمات على تفكيك البولي إيثيلين خلال ساعات قليلة في درجة حرارة الغرفة، وذلك من خلال إدخال الأكسجين في السلسلة الأساسية للكربون.

وقد تحمل الإنزيمات الموجودة في الحشرات مفتاح التعامل مع هذه الأنواع الأصعب من البلاستيك. ومن بين العلماء الذين يدرسون يرقات الحشرات عالم الأحياء الدقيقة كريس رينكه من جامعة كوينزلاند في أستراليا، الذي يعمل على البوليسترين، الموجود بكثرة في حاويات الطعام الجاهز وأدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة. ويبحث رينكه وزملاؤه في يرقات الحشرات التي تمتلك أجزاء فموية قوية تجعلها «بارعة جدًا في مضغ الأشياء» وتفكيكها إلى جزيئات أصغر. ويقول رينكه: «بعد ذلك، تتولى الكائنات الدقيقة الموجودة في أمعائها المهمة من هناك».

وعثر رينكه على يرقات خنفساء تسمى Zophobas morio، أُطلق عليها اسم «الدودة الخارقة»، وهي قادرة على تفكيك البوليسترين من خلال عملية من مرحلتين. تبدأ العملية بتمزيق البلاستيك ميكانيكيًا إلى قطع أصغر، ما يؤدي إلى «تعتيقه» من خلال إدخال ذرات الأكسجين إليه، ثم تفكيك تلك القطع باستخدام إنزيمات بكتيرية خاصة موجودة في الأمعاء، لم تُحدد هويتها بعد.

لكن بعض الخبراء أقل تفاؤلًا بشأن مستقبل إعادة التدوير البيولوجي، وخصوصًا فيما يتعلق بالتعامل مع أنواع البلاستيك التي تحتوي على سلاسل يصعب تفكيكها. ويقول بيكفورد: «لم أقتنع بعد بأن البولي أوليفينات، مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين وPVC، ستكون يومًا أهدافًا واقعية لإعادة التدوير الإنزيمي على نطاق واسع. لقد ظهرت بعض الملاحظات المثيرة للاهتمام، لكن تحويلها إلى عملية صناعية سيكون بالغ الصعوبة. وآمل أن أكون مخطئًا».

وتوجد مؤشرات على إحراز تقدم في مجال PVC، لكن هذا البلاستيك الهش، إلى جانب PVA وحمض البولي لاكتيك، المعروف باسم PLA، لا يزال في الوقت الحالي من المواد التي تعجز الإنزيمات إلى حد كبير عن تفكيكها. وفي مثل هذه الحالات، قد يكون من الأكثر قابلية للتنفيذ الاتجاه نحو ابتكار أنواع جديدة من البلاستيك يمكن إعادة تدويرها، بحسب بيكفورد.

ومع ذلك، تتواصل الاكتشافات. ففي عام 2020، أفاد فريق من كوريا الجنوبية بوجود بكتيريا معوية تسمى Serratia fonticola منحت يرقات خنفساء سوداء تسمى Plesiophthalmus davidis القدرة على هضم البوليسترين. وأفادت مجموعة أخرى باكتشاف سلالتين من الفطريات المتكيفة مع درجات الحرارة المنخفضة، هما Lachnellula وNeodevriesia، عُزلت الأولى من تربة جبال الألب والثانية من ساحل القطب الشمالي، ويمكنهما تفكيك أنواع معينة من البلاستيك القابل للتحلل، بما في ذلك PLA.

ومع ذلك، لا تمثل الإنزيمات سوى جزء من المعركة. فلا يزال من غير الواضح مدى سهولة توسيع نطاق العمليات التي تستفيد من هذه الإنزيمات، أو كيف ستبدو بصمتها البيئية عند تطبيقها على نطاق واسع.

تقول فانيسا فونغسوذي، رئيسة هندسة البروتين والمؤسسة البحثية في شركة Samsara Eco: «أعتقد أنه لن يكون هناك حل واحد لكل هذه المشكلة. علينا العمل على إعادة التدوير المتقدمة، لكن إلى جانب ذلك، فإن السياسات، وإعادة تصميم المنتجات، وإعادة الاستخدام، وحتى الاستغناء عن بعض المنتجات، كلها جزء من الصورة الأكبر».

وهناك بعض التغييرات في السياسات قيد الإعداد. ومن المقرر أن تنشئ الأمم المتحدة أول معاهدة عالمية في العالم بشأن التلوث البلاستيكي في عام 2024. وتهدف المعاهدة إلى الحد من التلوث البلاستيكي، ومن المتوقع أن تفرض قواعد جديدة على إنتاج المنتجات البلاستيكية وتصميمها لتسهيل إعادة تدويرها، إلى جانب إجراءات أخرى. وفي العام التالي، ستدخل قوانين تلزم بأن تكون 25% من المواد المستخدمة في الحاويات البلاستيكية وزجاجات المشروبات من البلاستيك المعاد تدويره حيز التنفيذ في واشنطن وكاليفورنيا والاتحاد الأوروبي. لكن من دون تغييرات وحوافز إضافية، قد لا تكون هذه الجهود سوى قطرة في بحر. وطالما ظل البلاستيك البكر رخيصًا بسبب انخفاض أسعار الوقود الأحفوري، فقد لا تتمكن الإنزيمات البيولوجية من منافسته.

يقول ماكجيهان: «المشكلة الرئيسية هي التكلفة. فالبلاستيك المصنوع من الوقود الأحفوري رخيص جدًا لأنه يُنتج على نطاق هائل في سوق عالمية ناضجة للغاية». ويضيف أن بعض الحكومات لا تزال تقدم حوافز لإنتاج البلاستيك بهذه الطريقة، قائلًا: «نحتاج حقًا إلى تغيير طريقة تفكيرنا في هذا الأمر، والبدء في تقديم حوافز لإعادة تدوير PET أو غيره من عمليات التحلل البيولوجي، بالطريقة نفسها التي استفادت بها صناعة النفط والغاز من الحوافز في الماضي».

ولا يزال ماكجيهان متفائلًا بأن التكنولوجيا، بمجرد تحسنها في مجال إعادة التدوير البيولوجي، ستصبح فعالة من حيث التكلفة بسرعة كافية لتتمكن من منافسة البلاستيك البكر. وحتى ذلك الحين، سيواصل باحثون مثل بيرتوكيني العمل بلا كلل. فقد تخلت عن خلايا النحل التي كانت تحبها عندما انتقلت إلى مدريد عام 2019، لكنها تواصل اليوم توسيع مجموعة الإنزيمات التي تطورها شركتها بالاستعانة بيرقات العث والفراشات. وتقول إن الإنزيمات لن تحل مشكلة البلاستيك بأكملها، «لكنها بداية».

المصدر