مجله ساپل
راز هضم پلاستیک: چرا حشرات میتوانند پلاستیک بخورند اما انسان نه؟
تولید سالانه پلاستیک در سطح جهان به حدود ۴۶۰ میلیون تن رسیده است و این مواد به دلیل پایداری شیمیایی بسیار بالا، میتوانند تا چند صد سال در اکوسیستمهای خاکی و آبی باقی بمانند. فرسایش و خرد شدن پلاستیکهای بزرگ در طبیعت، باعث تولید ذرات بسیار ریز یا میکروپلاستیکها میشود. این ذرات، منابع آب و خاک را آلوده کرده و از طریق زنجیره غذایی وارد بدن جانوران و انسان میشوند که پیامدهایی همچون تجمع زیستی و مخاطرات زیستمحیطی به همراه دارد.
ویژگیهای ساختاری پلاستیکها نظیر وزن مولکولی بالا، آبگریزی شدید و ساختار بلورین فشرده، آنها را به موادی فوقالعاده مقاوم در برابر هضم و تجزیه تبدیل کرده است. در این مقاله بررسی میکنیم که چرا دستگاه گوارش انسان توانایی هضم این ساختارهای سخت را ندارد، در حالی که گوارش برخی حشرات به کمک باکتریهای همزیست، راهکاری شگفتانگیز برای شکستن این پیوندها یافته است.
موانع ساختاری و شیمیایی هضم پلاستیک
پلاستیکهای تجاری دارای وزن مولکولی بسیار بالا، آبگریزی شدید و ساختار بلورین فشرده هستند. آبگریزی سطح پلاستیک مانع از جذب آب و اتصال اولیه میکروبها و آنزیمها میشود. علاوه بر این، تراکم بالای زنجیرهها در بخشهای بلورین، نفوذ آب و نفوذ آنزیمها را به شدت محدود میکند؛ به طوریکه حمله آنزیمی عمدتاً به بخشهای کمتراکم و بینظم (آمورف) ماده محدود میشود.
موانع شیمیایی هضم پلاستیک در معده
اسکلت اصلی پلیالفینها (پلیاتیلن، پلیپروپیلن، پلیاستایرن و پیویسی) که برای تولید انواع ظروف من جمله گالن ۱۰ لیتری تا بطری یک لیتری و اسباب بازی ها و دیگر موارد استفاده می شوند، فقط از پیوندهای بسیار محکم و غیرقطبی کربن-کربن و کربن-هیدروژن تشکیل شده است. عدم وجود گروههای عاملی اکسیژندار یا پیوندهای قابل هیدرولیز باعث میشود آنزیمهای طبیعی توانایی شکستن اسکلت اصلی آنها را نداشته باشند. در رابطه با پلیمرهای متراکم (پلیاتیلن ترفتالات، پلییورتان و پلیلاکتیک اسید)، این پلاستیکها در اسکلت اصلی خود دارای پیوندهای استری یا آمیدی هستند. وجود این گروهها امکان هیدرولیز و حمله آنزیمی توسط آنزیمهای ویژه (نظیر پلیاسترازها و لیپازها) را فراهم میسازد. با این حال، حضور حلقههای سخت در ساختار آنها همچنان سرعت تجزیه را در شرایط عادی محدود میکند.
مقایسه گوارش انسان و حشرات در مواجهه با پلاستیک
گوارش انسان در هضم پلاستیک
دستگاه گوارش انسان برای هضم مواد مغذی طبیعی و ارگانیک طراحی شده است و فاقد آنزیمها یا باکتریهای تخصصی برای شکستن پیوندهای شیمیایی محکم پلاستیکهاست. از این رو، ذرات پلاستیک بدون آنکه هضم یا جذب شوند، بدون تغییر ساختاری از بدن عبور میکنند. اما فقط عبور نیست بلکه به انسان آسیب هم میزنند. هرچند خود اسکلت پلاستیک در بدن هضم نمیشود، اما در طول مسیر گوارش، مواد شیمیایی افزودهشده به پلاستیک در فرایند تولید (نظیر فتالاتها و بیسفنول آ) رها میشوند. این ترکیبات سمی با ورود به بدن میتوانند باعث اختلالات هورمونی، آسیبهای سلولی و ناهنجاریهای متابولیک شوند. ورود مداوم ذرات ریز پلاستیک به دستگاه گوارش انسان، توازن حیاتی باکتریهای مفید روده را برهم میزند. این آسیب به جمعیت میکروبی، عملکرد طبیعی سیستم ایمنی و سلامت گوارش را با چالش مواجه میسازد.
گوارش حشرات؛ مکانیسم هضم و تجزیه زیستی
برخلاف انسان، دستگاه گوارش برخی حشرات و لاروها (نظیر لارو کرم آرد و شپشه آرد) میزبان جوامع خاصی از باکتریهای همزیست است. این میکروبهای ویژه توانایی شگفتانگیزی در برخورد با ساختارهای سخت پلاستیکی دارند. باکتریهای مستقر در روده این حشرات (مانند سویههای سیتروباکتر، کوساکونیا، آسینتوباکتر و اگزیکووباکتریوم) با تولید آنزیمهای مخصوص، زنجیرههای سنگین پلیاستایرن و پلیاتیلن را خرد میکنند. با کاهش وزن مولکولی پلاستیک، این مواد قابل جذب شده و حشره میتواند از آنها به عنوان منبع انرژی استفاده کند و ماده پلاستیکی را به بیومس و گاز دیاکسید کربن تبدیل نماید. با بررسی همین حشرات آنزیم هایی کشف شدند که پلاستیک را می خورند و تجزیه می کنند البته باسرعتی 10 برابری، در مقاله ابر آنزیم تجزیه پلاستیک مفصلا به این موضوع پرداختیم که خواندن آن را توصیه می کنیم.
نتیجه گیری
پژوهش بر روی دستگاه گوارش حشرات و میکروبهای همزیست آنها، افقهای تازهای را در بیوتکنولوژی صنعتی گشوده است. راز اصلی موفقیت این حشرات در هضم پلاستیک، در عملکرد همافزا و قیچیهای آنزیمی درون روده آنها نهفته است. صنعتگران و پژوهشگران میتوانند با الگوبرداری از این سیستمهای آنزیمی، طراحی کاتالیزورهای پیشرفته و بهکارگیری پالایشگاههای زیستی، بستری فراهم کنند تا تجزیه زیستی پلاستیکها در مقیاس صنعتی و با سرعت بالا محقق شود.
