A műanyagevő baktériumok már a küszöbön állnak, csak fel ne falják az egész konyhát

A Qubit a szabad és tájékozott magyar nyilvánosságért dolgozik. Segítsd a munkánkat!

A 19. században forradalmiként üdvözölték az első műanyag, a celluloid feltalálását. Mintha megnyomták volna a start gombot egy óriási futószalagon: nem maradt olyan iparág, amelyiket ne alakította volna át az olcsó, formálható és bőségesen rendelkezésre álló új anyag. 

Csakhogy ez a bőség mára a visszájára fordult. A műanyag szemét elárasztja az óceánokat, a szárazföldi szemétlerakókat, sőt az űrbe is jut belőle, ha pedig elégetik, a légkört szennyezi. Amióta az 1950-es években a gyárak elkezdték ontani magukból a poliésztert, körülbelül 9,1 milliárd tonnányi műanyag került le a futószalagokról – írta júliusban a Wall Street Journal. Ennek kevesebb mint 10 százalékát hasznosítjuk újra, évente mintegy 317 millió tonnát. A többi, a szemétlerakókba, a szemétégetőkbe, az erdőkbe, a mezőkre, az óceánokba, sőt az űrbe kerül. Ezek a műanyagok egyáltalán nem bomlanak le, csak apró részekre esnek szét, például az 5 milliméternél kisebb, úgynevezett mikroműanyagokra, amelyeket a tudósok megtaláltak már a pingvinekben, az anyatejben, a palackozott vízben, az emberi vérben, de a Mount Everest csúcsán is.

A legtöbb műanyag tehát soha nem bomlik le, és az újrahasznosított műanyagot is hamar eléri a végzete: a hagyományos, termomechanikai degradáció során gyártott műanyag – amikor a műanyagot apró darabokra forgácsolják, majd megolvasztják és új formájába öntik – elődjénél törékenyebb, és kevésbé tartós; a tapasztalatok szerint háromnál többször lehetetlen újrahasznosítani. Így végső soron egyelőre minden egyes műanyag palack, LEGO-darabka, Barbie-baba és plasztikkártya kidobása után a környezetet szennyezi. Az utóbbi időben erre a problémára igyekeznek végső és teljesen újfajta megoldást nyújtani a műanyagevő mikroorganizmusok. 

Kiválogatott csomagolóanyag-hulladék a németországi Erfstadtban működő Remondis hulladékártalmatlanító cégnél 2021. június 8-ánFotó: ROLF VENNENBERND/dpa Picture-Alliance via AFP

A természet magától is kitermelné?

„A műanyagok nem túl régi molekuláris szerkezetek, így eddig minimális evolúciós folyamat zajlott le, hogy bekerüljenek az élet körforgásába. Viszont a kutatók már találtak olyan algákat és lárvákat, amelyek emésztőrendszerében vannak olyan baktériumok, amelyek elkezdték egész jól lebontani a műanyagokat” – mondta a Qubitnek Tarjányi Dóra, aki biológusként végzett a Szegedi Egyetemen, majd elvégezte a Kenti Egyetem biotechnológia szakát, és egy évig a Poliloop nevű magyar startupnál dolgozott mikrobiológusként. A Madaras Liz és Lévay Krisztina alapította cég olyan baktériumkoktélt fejlesztett ki, ami azt ígéri, hogy bármilyen egyszer használatos műanyagot képes lebontani; egy műanyag szőlőtartóval például 5-6 hét alatt végez teljesen. Ezt a baktériumkoktélt vizsgálta Tarjányi.

Az utóbbi években rengeteg természetes műanyaglebontó organizmust találtak a tudósok. Az egyik legérdekesebb felfedezés volt 2017-ben, amikor néhány tudós a viaszmoly lárvájának műanyag zacskós szállításakor arra ébredt rá, hogy a hernyók kis lyukakat rágtak a polietilén zacskókba, az egyik legellenállóbb műanyagfélébe. Ezt azért tudták megtenni, mert a polietilán struktúrája hasonlít egyik eledelükhöz, a méhviaszhoz. Néhány kísérlet elvégzése után az is kiderült, hogy ezek a hernyók sokkal gyorsabban tudják megemészteni a polietilént, mint a mikrobák. 

2021 decemberében napvilágot látott egy tanulmány, amelyben a kutatók több mint 200 millió gén vizsgálata során 30 ezer különféle enzimet találtak, amelyek tízféle műanyag lebontására képesek. Az mBio folyóiratban közzétett tanulmányban a kutatók annak a 95 már ismert mikrobiális enzimnek az összegyűjtésére vállalkoztak, amelyekről már korábban is tudták, hogy képesek lebontani a műanyagot. A világ 236 különböző helyszínéről származó környezeti DNS-minták elemzése után azonban arra jutottak, hogy ennél sokkal több ilyen enzim létezik. Ezeknek az új enzimeknek közel 60 százaléka semmilyen ismert enzimosztályba nem sorolható, ami arra is utal, hogy ezek a molekulák valószínűleg egyelőre ismeretlen módon bontják le a műanyagot is – már ha lebontják. A következő lépés, hogy a legígéretesebb enzimjelöltek tulajdonságait jobban megvizsgálják a laborban, nyilatkozta 2021 végén Aleksej Zelezniak, a svéd Chalmers Műszaki Egyetem professzora, a tanulmány társszerzője.

„Mivel az óceánok tele vannak mikroműanyagokkal és műanyagokkal, ez egy természetes evolúciós folyamat lesz, csak mi ezt szeretnénk egy kicsit felgyorsítani, és a már meglévő enzimeket hatékonyabbá tenni” – mondta Tarjányi.

És akkor jött az éhes műanyagevő 

Az első műanyagevő baktériumot 2016-ban fedezték fel egy japán hulladéktárolóban egy PET-palack újrahasznosítására használt gyár mellett Oszakában. Az Ideonella sakaiensis nevű baktérium csak egyféle műanyagot, polietilén tereftalátot, vagyis PET-et volt képes bontani, azt is nagyon lassan. Kaliforniai tudósoknak 2018-ban azonban sikerült ezt a baktériumot véletlenül úgy módosítani, hogy gyorsabban bontsa le a műanyagüvegeket. Sőt, 2020-ra a további kísérletek már hatszorosára növelték a lebontás sebességét.

Ezeknél a kutatásoknál nyilván az a cél, hogy ha van egy PET-palack, ami sajnos nem csupán PET-ből, hanem számtalan más adalékanyagból áll – és itt valójában ez jelenti a legnagyobb problémát –, akkor ez a polimerlánc odáig bomoljon le, hogy az a baktérium által „kipüfögött” szén-dioxiddá és szénné váljon – magyarázta Tarjányi. „Nagyon leegyszerűsítve a műanyag erős kötésekből álló szénlánc, és a baktérium azért tudja lebontani ezeket a láncokat, mert a kötésből az energiát és a szénforrást is felhasználja, ebből táplálkozik és ebből veszi az energiát.”

„Ehhez képest az enzim egy fehérje. Egy teljesen egyszerű molekuláris szerkezet, aminosavakból álló fehérjelánc, amely bizonyos formációban fel van tekeredve. Ha például egy olyan enzimről van szó, amelyik el tud vágni bizonyos szén-szén kötést, akkor a műanyagbontáskor tulajdonképpen annyi történik, hogy ezeknek a fehérjéknek a szubsztrát-megkötő része hozzákapcsolódik az adott molekulához, és olyan változást hoz létre a fehérjében, amellyel képessé válik elvágni a szén-szén kötést. Ha végbement a feladata, akkor lekötődik a szubsztrát molekuláról, és felszabadul az az aktív hely, ahova újból be tud kötni egy másik szubsztrát. A fehérjék állandó rezgésben és mozgásban vannak, ezért a bekötés és elvágás állapotváltozása folyamatosan oda-vissza, oda-vissza működik. Ez az enzim-kinetika dióhéjban” – mondta a mikrobiológus.

PETáz enzimek (kékkel) monomer molekulákká (jobbra fent) alakítják a polietilén tereftalát (PET)-műanyagokat (pirossal és fehérrel jelölve, a kép bal oldalán). A lebontási folyamat tereftálsavat és etilénglikolt eredményez, ezek a környezetre nézve ártalmatlan anyagok.Fotó: JUAN GAERTNER/SCIENCE PHOTO LIBR/Science Photo Library via AFP

Ideális esetben szén-dioxid és víz, az óceánban elszabadulva katasztrófa

Az, hogy mi marad az adott műanyagból, miután az enzim, a baktérium vagy a viaszmoly hernyója végzett vele, rengeteg mindentől függ. „Milyen műanyagot kezdtél el bontani, abban milyen adalékanyagok voltak, milyen baktériumot vagy enzimet használtál, milyen közegbe raktad az egészet” – mondta Tarjányi.

„Ideális esetben a műanyagból szén-dioxid és víz maradna lebontás után. Ez általában nem így van, mivel egy PET-palack nem csak hosszú polimerláncokból áll, hanem vannak benne lágyítószerek, festékek, rugalmasságot szabályozó anyagok, amelyek mind ahhoz kellenek, hogy az adott műanyag úgy nézzen ki, mint amire épp szükség van” – mondta Tarjányi, és hozzátette, hogy ennek a több százféle adalékanyagnak az elemzése sokáig tart, és jelenleg az egész lebontási folyamat rendkívül időigényes és költséges.

Sőt, egyelőre nem megoldott az enzimek biztonságos alkalmazása sem. „Ha bárhova kiengedjük ezeket az enzimeket, ahol a környezet nekik optimális, ott bontani fogják a dolgokat. Ha ez valakinek a lakása, akkor ott. Szóval nem tehetjük meg azt, hogy laborban kikísérletezünk valamit, és utána kiszórjuk például az enzimeket az óceánba, mert lehetetlen garantálni, hogy utána mi történik. Ezért minden biomérnökséggel kísért folyamat bioreaktorban zajlik. Ezek gyakorlatilag olyan óriási hordók, amelyeknek szabályozható a környezete: be lehet állítani a fényviszonyokat, a nyomást, a pH-értéket, hogy milyen sebességgel áramoljon bennük az adott közeg, hogy milyen táplálékot kapjanak a baktériumok vagy enzimek. Ebben a teljesen kontrollált környezetben zajlanak a műanyag-bontási folyamatok – magyarázta a mikrobiológus. – És igen, az nagyon jó, hogy 3 milliliteres kis lombikban tök jól sikerült a műanyaglebontás, de a kilenc milliárd tonna műanyaggal mit kezdünk? Mindenhova bioreaktorokat építünk?”

A cél a körforgásos műanyag-gazdaság

Tarjányi elmondta, hogy a műanyagbontó enzimekkel és baktériumokkal foglalkozó laborokban egyelőre az adott enzimek nagyon szabályozott közegben mikroműanyagokat bontanak le, nagyon kis mennyiségban, az eredmények skálázása és az ipari felhasználás így egyelőre várat magára. 

Legígéretesebb ezen a téren a francia Carbios nevű cég, amelyik egy genetikailag módosított mikroorganizmus segítségével bontja szét a hosszú polimerláncokat építőelemeikre, úgynevezett monomerekre. Ezeket a monomereket később ismét teljesen használható műanyaggá lehet alakítani, és így elméletileg már a körforgásos műanyag-gazdaság is megalkotható. Emmanuel Ladent, a Carbios ügyvezető igazgatója a Wall Street Journalnak azt mondta, hogy ma már bármilyen típusú PET-et képesek lebontani: palackot, élelmiszer-csomagolást, pólót. A hagyományos, termomechanikai folyamatokkal előállított, újrahasznosított anyagokhoz képest a Carbios 30-50-szer teszi újrahasznosíthatóvá a műanyagokat, és a cégvezető szerint egy tonnányi műanyagból 97 százalékban műanyag-komponenst állítanak elő.

A 2019. április elsején készített kép egy bioreaktorban végbemenő kémiai átalakulást mutat a Carbios cég Saint-Beauzire-i telephelyén Franciaországban.Fotó: THIERRY ZOCCOLAN/AFP

Tavaly a francia cég megnyitotta első kísérleti ipari telephelyét Franciaországban, és 2025-re azt tervezi, hogy elindítja első olyan telephelyét is, amelyik évente 50 ezer tonna PET-hulladék feldolgozására képes. Ez gyakorlatilag kétmillió PET-palack vagy 300 millió póló feldolgozását jelentené. A Carbios tervei szerint onnantól kezdve elkezdené értékesíteni technológiáját más cégeknek, hogy minél hamarabb globális hatást válthassanak ki. A nagyra törő tervek mellé azonban érdemes odatenni, hogy a Carbios eredetileg 2022-re tette a gyár üzembe helyezését, és a legyártott műanyagok összességének csupán 20-25 százalékát teszik ki a PET-alapú anyagok, a polietilén vagy a polipropilén lebontása eddig trükkösebbnek bizonyult.  

Színre lép a mesterséges intelligencia

A hagyományosnak mondható módszerek mellett néhány kutató már a gépi tanulás és a mélytanulás eredményeit is felhasználja a műanyagbontás területének fejlesztésére. A mesterséges intelligencián alapuló algoritmusok már a járvány idején is hasznosnak bizonyultak a fehérjék háromdimenziós szerkezetének felrajzolásakor vagy a vakcinák genetikai komponenseinek megtalálásakor. A Nature folyóiratban 2022 áprilisában közzétett tanulmány szerint ebben az esetben a Texasi Egyetem kutatócsoportjának egy robusztus és aktív PET-hidrolázt segített fejleszteni a gépi tanuláson alapuló szoftver, amelyik a természetes környezetben évszázadokon keresztül fennmaradó PET-anyagokat mindössze néhány óra alatt képes lebontani. Például két nap alatt megemésztett egy komplett műanyag tálcát. Emellett a FAST-PETase-nak elnevezett enzim különlegessége, hogy kevesebb mint 50 Celsius-fokon képes lebontani az adott műanyagot, ezzel pedig ipari környezetben is könnyebben alkalmazhatóvá válhat.

Az enzimek tökéletesítésén túl a kutatások másik irányát a csomagolások könnyebben lebonthatóvá tétele jelentheti. Lars Blank, az Aacheni Egyetem mikrobiológia-professzora például 2015 óta tanulmányozza a műanyagevő enzimeket. Úgy vélte, az egyik legnagyobb kihívás, hogy az élelmiszerek csomagolása akár 12 különféle műanyag rétegét is jelentheti, ez pedig nehézkessé teszi a lebontást. Emellett a műanyagüvegre rányomott, egyszerű papírcímke is újrahasznosíthatatlanná tehet egy palackot, ezért Blank a biolebontást elősegítő, szabványosított csomagolás bevezetését támogatná.

Talán a házi műanyaglebontó enzimeké a jövő?

Egyelőre még ettől is és a műanyaglebontó enzimek ipari méretű bevetésétől is viszonylag messze vagyunk. Tarjányi szerint ott tarthatunk most, mint Neumann János szobányi méretű számítógépével az informatikai korszak hajnalán. Egyelőre költséges és hosszadalmas a műanyagevő enzimek ténykedése, az pedig kifejezetten veszélyes lenne, ha kiengednénk őket a „vadonba”: például jelenleg elképzelhetetlen, hogy házi bioreaktorokat helyezzünk el emberek otthonaiban, hogy a PET-palackokat oda bedobálva a kis enzimek vagy baktériumok ártalmatlan bomlástermékeket hozzanak létre. 

Nem tudhatjuk azonban, hogy néhány év múlva hová ér el a rohamosan fejlődő biotechnológia. A személyi számítógépeknek is csupán néhány évtized kellett ahhoz, hogy szinte minden egyes háztartásba bevegyék magukat; ki tudja, talán néhány évtized múlva kovász helyett műanyagevő enzimet etetünk aprócska konyhai bioreaktorunkban a komposztáló mellett. 

Ennél valószínűbb, hogy a műanyagevő enzimek segítségével létrehozhatóvá válik egy körforgásos műanyaggazdaság, amelyekben a nagy műanyag-kibocsátók is átállnak az enzimek által újra és újra legyártható műanyagtípusokra. A Carbios például már partnerségre lépett a Nestlé Waters, a PepsiCo és a L’Oreal vállalatokkal, vagy éppen a Patagonia, a Puma és a Salomon divatmárkákkal. Ezek a kollaborációk mind-mind validálják a technológiát, és meggyorsítják a skálázhatóság elérését. John McGeehan, a Portsmouthi Egyetem biológus professzora, aki gyorsabb, skálázhatóbb és ellenállóbb műanyagokat is lebontani képes enzimeken dolgozik, kifejezetten optimista a jövőt illetően. „Nem tudom, mi lesz 15-20 év múlva, de azt mondhatom, hogy a kutatások alapján már most látszik, hogy a jövőben lesz megoldásunk az összes típusú műanyagra”.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: