Bakterie tworzą zespół do zjadania plastiku. Naukowcy widzą szansę na czystsze środowisko

Zalegają w glebie i wodzie przez długie lata.

Naukowcy opisali właśnie bakteryjną „drużynę”, która potrafi wspólnie rozkładać szczególnie uporczywe związki z grupy ftalanów. Taki biologiczny zespół działa inaczej niż pojedyncze mikroby badane do tej pory i może w przyszłości pomóc oczyścić najbardziej zanieczyszczone miejsca, bez gigantycznych rachunków za energię i skomplikowane instalacje chemiczne.

Plastik znika z oczu, ale nie z przyrody

Miękkie folie spożywcze, elastyczne węże, przewody, elementy kabli, część sprzętu medycznego – za ich giętkość odpowiadają ftalany, popularne plastyfikatory dodawane do tworzyw sztucznych. Z punktu widzenia przemysłu sprawdzają się świetnie. Z punktu widzenia środowiska to już zupełnie inna historia.

Ftalany łatwo wymywają się z gotowych produktów. Przenikają do gleby, rzek, jezior i wód podziemnych. Ich budowa chemiczna sprawia, że naturalne mikroorganizmy bardzo słabo sobie z nimi radzą. Związki te kumulują się latami, a badania toksykologiczne wskazują, że mogą zaburzać gospodarkę hormonalną ludzi i zwierząt.

Klasyczne metody oczyszczania opierają się zwykle na skomplikowanych procesach fizykochemicznych – wysokiej temperaturze, intensywnym napowietrzaniu, silnych utleniaczach. Takie instalacje są drogie, energochłonne i trudno je zastosować na rozległych, rozproszonych terenach, jak pola uprawne czy duże doliny rzeczne.

Rosnące koszty usuwania zanieczyszczeń z tworzyw sztucznych sprawiają, że naukowcy coraz częściej szukają wsparcia w mikroorganizmach zamiast w kolejnych reaktorach i filtrach.

Bakterie lepsze w grupie niż w pojedynkę

Przez lata laboratoria próbowały znaleźć „superbakterię”, która samodzielnie poradzi sobie z plastyfikatorami. Każdy gatunek okazywał się jednak dobry tylko w jednej lub kilku reakcjach chemicznych – nigdy w całym ciągu przemian potrzebnym do pełnego rozłożenia ftalanów.

Badacze związani m.in. z Chińską Akademią Nauk poszli inną drogą. Zamiast szukać pojedynczego specjalisty, przyjrzeli się całym społecznościom mikroorganizmów pobranym z zanieczyszczonych środowisk. W efekcie opisali tzw. konsorcjum bakteryjne – zgraną grupę kilku gatunków, które tworzą coś w rodzaju mikroskopowej linii produkcyjnej.

Każdy z członków tej linii wykonuje tylko część zadania. Jedne bakterie potrafią naruszyć najbardziej odporne wiązania chemiczne w cząsteczce plastyfikatora. Inne przejmują powstające po drodze produkty pośrednie i przerabiają je na kolejne formy. Na końcu pojawiają się mikroorganizmy, które wykorzystują już proste cząsteczki jako zwykłe „paliwo” do swojego metabolizmu.

Żaden z opisanych gatunków nie radzi sobie z ftalanami w pojedynkę. Pełny rozkład pojawia się dopiero wtedy, gdy współpracuje cała grupa.

Podział ról jak w fabryce

Naukowcy porównują tę bakteryjną współpracę do taśmy produkcyjnej. Jeśli zabraknie choć jednego stanowiska, cała linia staje. Gdy któryś gatunek zniknie, proces rozkładu zatrzymuje się na etapie toksycznych produktów pośrednich, które zaczynają szkodzić samej społeczności mikroorganizmów.

Taka precyzyjna współzależność ma dwie konsekwencje. Z jednej strony czyni konsorcjum wrażliwym na zakłócenia. Z drugiej – wzmacnia jego stabilność, bo bakterie stają się od siebie uzależnione. Niektóre z nich nie są w stanie przeżyć bez substancji dostarczanych przez partnerów, więc „opłaca im się” dalej współpracować.

Co się dzieje z ftalanami w bakteryjnym laboratorium

Plastyfikatory z tej grupy należą do estrów – związków słynących z trwałości. W laboratorium z udziałem konsorcjum proces ich rozkładu przebiega etapami, które da się prześledzić na poziomie konkretnych cząsteczek.

• Na początku jedna z bakterii rozcina najbardziej odporne fragmenty, zamieniając ftalan w prostszy związek – kwas ftalowy.
• Kwas ftalowy staje się pożywką dla kolejnego gatunku, który przekształca go w związki bardziej „przyjazne” dla typowego metabolizmu, takie jak protokatechian.
• Następne bakterie dalej „otwierają” pierścienie aromatyczne i zamieniają je w cząsteczki znane z podstawowych szlaków energetycznych komórki, np. pirogronian czy bursztynian.

Te ostatnie trafiają już wprost do wewnętrznych cykli metabolicznych i służą bakteriom za źródło energii oraz materiał budulcowy. Z punktu widzenia środowiska oznacza to, że trwały, potencjalnie szkodliwy związek zostaje w końcu całkowicie włączony w naturalny obieg pierwiastków.

Badacze podkreślają przy tym jedną istotną kwestię: nagromadzenie produktów pośrednich potrafi zablokować całą machinę. Substancje powstające w środku łańcucha bywały toksyczne dla pojedynczych gatunków. Dopiero obecność kolejnych mikroorganizmów, które „sprzątają” te związki, utrzymuje proces w ruchu.

Sprawne rozkładanie plastyfikatorów nie zależy od jednej rewolucyjnej bakterii, ale od delikatnej równowagi pomiędzy kilkoma wyspecjalizowanymi partnerami.

Szansa dla skażonych rzek, stawów i wysypisk

Wnioski z badań wykraczają poza czystą mikrobiologię. Konsorcjum da się bowiem potraktować jak narzędzie bioremediacji, czyli oczyszczania środowiska z pomocą żywych organizmów. Zamiast budować kolejne oczyszczalnie, można próbować pobudzić lub wprowadzić odpowiednie społeczności bakterii w miejsca szczególnie obciążone plastyfikatorami.

Taka strategia ma kilka mocnych stron:

Naukowcy widzą kilka sposobów praktycznego użycia takich konsorcjów. Jednym z nich jest wspieranie społeczności, które już naturalnie żyją na skażonych terenach – np. przez dostarczenie im tlenu, składników mineralnych czy odpowiedniego podłoża. Innym – celowe wprowadzenie skomponowanych wcześniej grup bakterii do osadów ściekowych lub warstw gleby pod wysypiskami.

Pułapki i ograniczenia bakteryjnej strategii

Nie da się jednak przygotować jednego „uniwersalnego koktajlu”, który zadziała wszędzie tak samo. Aktywność mikroorganizmów mocno zależy od warunków lokalnych. Temperatura, odczyn pH, dostęp do tlenu czy obecność metali ciężkich – każdy z tych czynników może przyspieszyć lub całkowicie zatrzymać pracę konsorcjum.

Dochodzi do tego jeszcze interakcja z innymi bakteriami, grzybami i pierwotniakami zamieszkującymi dane siedlisko. Nowa społeczność może zostać wyparta przez rodzimą mikroflorę albo sama silnie ją zmienić. Dlatego zespoły badawcze koncentrują się teraz na tym, jak ustabilizować takie konsorcja i jak przewidywać ich zachowanie w naturalnym, pełnym konkurencji otoczeniu.

Czego możemy się nauczyć od bakteryjnych zespołów

Historia ftalanów i bakteryjnego konsorcjum pokazuje, że w oczyszczaniu środowiska nie zawsze trzeba liczyć na pojedynczą, spektakularną technologię. Często więcej daje umiejętne wykorzystanie procesów, które już zachodzą, tyle że zbyt wolno lub mało efektywnie.

W praktyce takie podejście może przełożyć się np. na sposób projektowania składowisk odpadów czy oczyszczalni ścieków. Zamiast dążyć tylko do całkowitego odizolowania mikroorganizmów od zanieczyszczeń, można świadomie tworzyć warunki, w których dobrze dobrane społeczności bakteryjne otrzymują stabilne miejsce do pracy. Wymaga to dokładnego monitoringu i ostrożnego wprowadzania zmian, ale nagrodą jest mniejsza zależność od drogich, energochłonnych instalacji.

Dla zwykłego odbiorcy ta historia jest też przypomnieniem, że problemy związane z plastikiem nie kończą się w momencie wrzucenia butelki czy folii do kosza. Nawet jeśli tworzywo trafi do recyklingu, zawarte w nim dodatki mogą dalej krążyć po środowisku. Bakterie pomagają ten cykl zamknąć, lecz same sobie nie poradzą przy ciągle rosnącej ilości odpadów. Technologia bioremediacji ma więc największy sens wtedy, gdy idzie w parze z ograniczaniem zużycia jednorazowego plastiku i dokładniejszą kontrolą chemikaliów dopuszczanych do obiegu.