باکتری های تولید کننده ی پلاستیک مه پلاست mahplast.com

تصور دنیای بدون پلاستیک خیلی مشکل است. پلاستیک ها بعنوان یک صنعت قوی، از اتومبیل ها گرفته تا علم پزشکی در جهان شناخته شده اند. در حدود ۷۵ بیلیون پوند پلاستیک هر ساله توسط صنایع پلاستیک سازی تولید می شود و هر ساله در آمریکا ۵۰ میلیون تن پلاستیک تولید می شود. پلاستیک ها دارای مزایای زیادی هستند چرا که پلیمرها را می سازند و اغلب مقاومت شیمیایی بالایی دارند و کاملا با دوام و پایدارند. لذا در جامعه صنعتی ما نقش مهمی دارند. دلیل اصلی تخریب پذیر نبودن پلاستیک ها، وجود مواد با وزن مولکولی بالا‌، طویل بودن طول مولکول پلیمر و پیوند قوی بین منومرهای آنها می باشد. سوزاندن پلاستیکها یک راه مبارزه با تجزیه ناپذیری آنهاست ولی این روش گران و خطرناک است ضمن این که مواد شیمیایی مضر از قبیل اسید هیدروکلریک و نیز سیانید هیدروژن در طول سوخته شدن پلاستیکها آزاد می شوند. زباله کردن پلاستیک ها یک راه دیگر است اما این روش نیز اشکالاتی دارد: اول اینکه تقسیم بندی زباله های پلاستیکی بدلیل رنج وسیع آنها مشکل است، ثانیا محدوده کاربردی زباله های پلاستیکی بسیار اندک است. یکی از راههای مطمئن و کم هزینه در تخریب پلاستیک های تجزیه ناپذیر استفاده از land fill هاست. landfill شاید به معنای ریختن زباله ها در زمین های خارج شهری باشد. ۴۰% از ۷۵ بیلیون پوند پلاستیک تولید شده با استفاده از lanfill ها تخریب شدند. اما این روش نیز اشکالات خاص خود را دارد. پلاستیکهای تجزیه ناپذیر یک مشکل اکولوژیکی مهم به شمار می آیند. هر ساله صدها هزار تن پلاستیک به محیط زیست دریایی، ریخته می شود و یا در مناطق اقیانوس انباشته می شوند و باعث می شود تقریبا یک میلیون جانور دریازی به علت خفه شدن در انبوه پلاستیک، از بین بروند. البته در سال های اخیر تلاشهای قانونی برای رفع پلاستیک های غیر قابل تجزیه افزایش یافته است. واژه زیست تخریب پذیر یا Biodegradable به معنی موادی است که به سادگی توسط فعالیت موجودات زنده به زیر واحدهای سازنده خود تجزیه شده و در محیط باقی نمانند. استانداردهای متعددی برای تعیین زیست تخریب پذیری یک محصول وجود دارد که عمدتا به تجزیه ۶۰ تا ۹۰ درصد از محصول در مدت دو تا شش ماه محدود می گردد که این استاندارد در کشورهای مختلف متفاوت است. تولید پلیمرهای زیستی توسط طیف وسیعی از موجودات زنده مثل گیاهان، جانوران و باکتری ها به دلیل بنیان طبیعی آنها و قابلیت تجزیه توسط سایر موجودات، جایگاه خاصی دارد. برای بهره برداری از این پلیمرها در صنعت دو موضوع باید مورد توجه قرار گیرد: الف: دید محیط زیستی این مواد باید سریعا در محیط مورد تجزیه قرار گیرند، بافت خاک را بر هم نزنند و به راحتی با برنامه های مدیریت زباله و بازیافت مواد ازمحیط خارج شوند. ب: دید صنعتی این مواد باید خصوصیات مورد انتظار صنعت را از جمله دوام و کارایی را داشته باشند و از همه مهم تر، مرقون به صرفه باشند. بطور معمول امروزه سه نوع از پلاستیک های تخریب پذیر وجود دارد: Photodegradable plastics پلاستیکهای قابل تخریب توسط نور، بدلیل اینکه ظرف مدت چند هفته و یا چند ماه براثر تابش فرابنفش ساختار پلیمریشان تجزیه می شوند، پلاستیک های سودمندی هستند. اما مشکل این پلاستیک ها این است که بسیاری از landfill ها فاقد نور خورشید هستند و لذا مقداری از این پلاستیک ها همواره به صورت تجزیه ناپذیر باقی می ماند. Starch_linked plastics دسته دوم از این پلاستیک ها، پلاستیک هائی با زنجیره های نشاسته است. این پلاستیک ها اغلب در تهیه پلاستیک های کیف یا کیسه های مغازه به کار می رود که از اجتماع تکه های کوچک پلی اتیلن با اتصالات نشاسته ساخته می شوند. نظریه موجود درباره تخریب این پلاستیک ها این است که باکتریهای موجود در خاک با حمله به نشاسته ها و لایز کردن قطعات پلیمری باعث تخریب این، پلاستیک ها می شوند. البته قطعات پلیمری ممکن است از فعالیت این باکتریها جلوگیری کنند. فقدان نور و اکسیژن در landfill ها ممکن است اغلب باعث تضعیف باکتریهای هضم کننده نشاسته شود. پلاستیک ها با زنخیره های نشاسته از پلاستیک های موجود ضعیف تر هستند، به همین منظور از مقدار بیشتری پلی اتیلن و ذرات تجزیه پذیر در ساخت آنها استفاده می کنند. Bacterial plastics دسته سوم، پلاستیک های تجزیه پذیر جدید و خیلی مفید هستند، چرا که عمل آنها در بکارگیری باکتریها بعنوان یک بیوپلیمر است. در سال Bacterial plastic ,1925یا پلاستیک های زیستی در انستیتو پاستور کشف شد که در آنجا به مقدار زیادی باکتریهای پلیمری بنام poly –B– hydroxyalkanoate (PHA) & poly –B– hydroxybutyrate (PHA) سنتز می شد. PHB شامل هزاران مولکولهای هیدروکسی بوتیرات است که از انتها به یکدیگر متصل شده اند. PHB ها در باکتریها، چربی هایی درون سلولی هستند همانند بافت های چاق ما. از استخراج PHB ها در شرایط نامتعادل، یک مقدار زیاد کربن، یک منبع انرژی، یک فاکتور رشد محدود کننده و دیگر عوامل داریم. PHB کربن و منبع انرژی در طول گرسنگی باکتری، مصرف می کند و یک نقش مهم در بقاء میکرو ارگانیسم در شرایط سخت نظیر کمبود مواد غذایی محیط، فشار اسمتیک و تابش اشعه فرابنفش دارد. استخراج بالای PHA در طیف انبوهی از میکرو ارگانیسم ها شامل گونه هایی از Syntrophomonas Pseudomonas، Alcaligenes genera، Clostridium نشان داده شده است. البته تمام میکرو ارگانیسم ها واجد PHA نیستند. بعنوان مثال انترو باکتری ها و برخی گونه های سیانو باکتری ها فقط درصد اندکی از کل آنها تولید PHB می کنند. نقل از یک منبع دیگر: PHA ها عموما از زیر واحد بتا هیدروکسی آلکانوات و به واسطه مسیری ساده با سه آنزیم از استیل کوآنزیم A ساخته شده و معروف ترین آنها پلی هیدروکسی بوتیرات(PHB) می باشد. در سال ۱۹۷۰ شرکت انگلیسی ICI در هنگام بحران نفت شروع به مطالعه بر روی اینگونه باکتریهای پلیمری کرد، چرا که در آن زمان تقریبا تمام پلاستیک های معمول در بازار از محصولات پتروشیمی و ذغال سنگ تولید می شد، که البته غیر قابل بازگشت به محیط بودند. تحقیقات محققان شرکت ICI نشان داد که PHB اغلب دارای بسیاری از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی است که پلاستیک های پتروشیمی واجد آنها هستند. بعنوان مثال: نقاط ذوب، کریستاله شدن، وزن مولکولی و استحکام قابل انعطاف و نیز پلی پروپیلن شبیه آنها. امتیاز مهم PHBها بر دیگر انواع پلاستیک های قابل تجزیه این است که، منشأ بیولوژیکی دارند و بصورت کامل و طبیعی از بین می روند. باکتریها می توانند PHB را بطور کامل به آب و دی اکسید کربن تجزیه نمایند. در حقیقت تخریب پذیری طبیعی پلاستیک ها، با منشأ PHA باعث استفاده آنها در صنعت پزشکی شده است. کاربرد این پلاستیک ها در پزشکی این گونه است که پلیت های ساخته شده از PHA در بدن انسان می تواند، در بهبود شکستگی استخوان موثر باشد. نکته جالب این است که پس از بهبود استخوان پلاستیک ها به آرامی در بدن انسان تجزیه می شوند. PHA ها اغلب برای تجزیه شدن به شرایط محیطی ویژه ای نیاز ندارند، چنانکه تحت هر شرایطی به سرعت تجزیه می شوند. PHA ها یک تکنولوژی مهمی هستند چرا که شیمیدان ها قادر خواهند بود با تغییر دادن محیط کشت رشد باکتریها، عوامل فیزیکی و شیمیایی تولید شده توسط باکتریها را کنترل نمایند. PHB پلیمری است که از چهار مونومر کربن ساخته شده است، و هنگامی که گلوکز بعنوان ماده زمینه استفاده می شود، توسط باکتری تولید می شود. رشد باکتری درValerate ، یک اسید چرب ۵ کربنی را ایجاد می سازد که منجر به تولید PHV می شود لذا PHV از ۵ مونومر کربن تشکیل شده است. یک کوپلیمر شبیه PHB-PHV که تقریبا از ۲۰ درصد PHV و ۸۰ درصد PHB تشکیل شده است می تواند در اغلب موارد گلوکز و اسید والریک را به داخل محیط کشت بیفزاید. کوپلیمر PHB-PHV بسیار مهم و ویژه است چرا که قوی تر و انعطاف پذیرتر از پلیمر PHBاست. جایگزینی پلاستیک ها با منشا PHA به جای پلاستیک های تخریب پذیر می بایست از بعد آزمایشگاهی به بعد صنعتی (تولید توسط گیاهان) حرکت نمایند. تولید پلاستیک های PHA مستلزم، یافتن باکتری های تولید کننده این مواد است باکتریهائی که به روش ارزان منابع کربن نظیر گلوکز و اتانول را تأمین نمایند. تنها گونه های باکتریایی اندکی واجد این دو معیار هستند، یکی از این گونه ها Alcaligenes eutrophus می باشد. A eutrophus بزودی توسط شرکت ICI به منظور تولید کوپلیمر شناخته می شود و با نام تجاری Biopol بصورت بسته بندی عرضه می شود. ICI به منظور تولید کوپلیمر از باکتری مراحل مختلف را استفاده می کند. باکتریA. eutrophus ابتدا در یک محلول غنی از گلوکز و والریک اسید رشد داده می شوند. محیط کشتی که باکتری ها رشد می کنند در آن تهی از نیتروژن و واجد مواد مغذی ضروری می باشد. با افزودن یک پلیمر فورمینگ به محیط کشت، مستقیما به کوپلیمر تبدیل می شود. کوپلیمر سپس بصورت گرانول هایی در پیکره سلولی باکتری ذخیره می شود ۸۰ درصد یا بیشتر از وزن سلول های باکتری معمولا شامل کوپلیمر است. در مرحله بعد معمولا با بکارگیری یک حلال قوی مثل کلروفرم داغ گرانول های کوپلیمری را از پیکره سلولی تخلیص می نماید. عصاره سلولی به منظور حفظ خصوصیات فیریکی و شیمیایی گرانول های می باید با دقت مراقبت شود. پس از خشک کردن عصاره سلولی در مرحله بعد با آسیاب کردن کوپلیمر آن را تبدیل به یک پودر یا قرص در می آورند که در نهایت در بسته بندی هایی نظیر بطری شامپو برای استفاده عرضه می شود. ICI در حال حاضر سالانه حدود ۶۰۰ تن Biopol تولید می کند که در قیاس با برنامه تولید ۱۰۰۰۰۰ تن پلاستیک در سال خیلی اندک است. هزینه تولید این پلاستیک های تخریب پذیر،‌ تقریبا ۵ تا ۷ برابر هزینه تولید پلاستیک های معمولی پتروشیمی است. یکی دیگر از معایب پلاستیک ها با بنیان PHA این است که تنها برای کاربردهای ویژه ای بکار می روند. تحقیقات برای تولید PHA هایی که بتوانند در شرایط سخت نظیر دما و فشار بالا مقاومت داشته باشند، ادامه دارد. تاریخ کاربردی بیشتری برای این پلاستیک ها بتوان تصور کرد. فقط پلاستیک های پتروشیمی قابلیت مفاومت در برابر دما و فشار بالا را دارند. اخیرا با تحقیقات انجام شده در موسسه تکنولوژی ماساچوست (MIT) آنها توانسته اند سایز مولکولهای PHA را توسط دستکاری ژنتیکی و استفاده از آنزیم کنترل نمایند. با دستکاری اندازه این پلیمرها می توانیم اندازه پلیمرهای تولیدی را به خوبی گسترش (بزرگتر) دهیم. پس از باکتریها، متابولیت های گوناگون دیگری به عنوان پلیمرهای باکتریایی با ظرفیت و محتویات متنوع در حال کشف شدن هستند. در حال حاضر با تحقیقات انجام شده قادر خواهیم بود که با کلون کردن مسیرهای بیوسنتز تولید باکتریهای PHA و انتقال آن به باکتریهای غیر تولید کننده PHA نظیر E.coli پلاستیک های زیستی جدیدی تولید نماییم. مشکلات محیطی و اکولوژیکی پلاستیک های تجزیه ناپذیر موجود در جامعه ما، با ایجاد راهکارهای طبیعی قابل حل خواهند بود. باکتریهای تولید کننده پلاستیک دارای امتیازات زیادی بر دیگر پلاستیک های تخریب پذیر دارند، از جمله اینکه بطور کامل تجزیه شده و محتویات آنها به آسانی مورد دستکاری سطوح مولکولی قرار می گیرند. اگر چه نواقصی از قبیل زمان بر بودن و پر هزینه بودن تولید از معایب آنها به شمار می رود. مشکل دیگر باکتریهای PHA شکننده بودن آنهاست که باعث شده در بسیاری از کاربردها مناسب نباشند. با تلاشهایی که در علم و صنعت در دست انجام است، می توانیم به حفظ زمین کمک کنیم و آن را به یک مکان زیبا تبدیل کنیم.