يمكن التخلص من النفايات البلاستيكية الملقاة في مكب النفايات في وقت أقرب مما هو متوقع، بعد أن طور المهندسون إنزيما يمكنه تفكيكها في غضون ساعات قليلة.
وتُترك ملايين الأطنان من البلاستيك كل عام، وتتراكم في مدافن النفايات وتلوث الأرض والممرات المائية، وعادة ما تستغرق قرونا لتتحلل.
وابتكر فريق من جامعة تكساس في أوستن نوعا جديدا من الإنزيمات التي يمكن أن تزيد من إعادة التدوير على نطاق واسع، ما يقلل من تأثير التلوث البلاستيكي.
ويركز العمل على PET (البولي إيثيلين تيريفثاليت)، وهو بوليمر موجود في معظم البلاستيك المستهلك بما في ذلك الزجاجات والتغليف وبعض المنسوجات.
وكان الإنزيم قادرا على إكمال "عملية دائرية" لتحطيم البلاستيك إلى أجزاء أصغر وإعادة تجميعه كيميائيا في أقل من 24 ساعة. وأطلقوا عليه اسم FAST-PETase (PETase وظيفيا ونشطا ومستقرا ومتحملا)، تم تطويره من PETase الطبيعي الذي يسمح للبكتيريا بتحليل البلاستيك وتعديله.
وقال الفريق إنه قادر على العمل في درجات الحرارة المحيطة، بدلا من الحرارة الشديدة أو البرودة، ما يجعله خيارا قابلا للتطبيق لمعالجة البلاستيك الموجود بالفعل في مواقع دفن النفايات.
ويمتلك الإنزيم القدرة على زيادة إعادة التدوير على نطاق واسع ما يسمح للصناعات الكبرى بتقليل تأثيرها البيئي من خلال استعادة البلاستيك وإعادة استخدامه على المستوى الجزيئي.
وقال هال ألبر، الأستاذ في قسم ماكيتا للهندسة الكيميائية في جامعة أوستن، "الاحتمالات لا حصر لها عبر الصناعات للاستفادة من عملية إعادة التدوير الرائدة هذه".
وبالإضافة إلى صناعة إدارة النفايات الواضحة، يوفر هذا أيضا للشركات من كل قطاع الفرصة لأخذ زمام المبادرة في إعادة تدوير منتجاتها.
ومن خلال هذه الأساليب الإنزيمية الأكثر استدامة، يمكننا البدء في تصور اقتصاد بلاستيكي دائري حقيقي.
ويركز المشروع على البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET)، وهو أحد البوليمرات البلاستيكية الأكثر استخداما في السلع الاستهلاكية، ويشكل 12% من النفايات العالمية.
وعمل الإنزيم على PET عن طريق تحطيم البلاستيك إلى أجزاء أصغر، وهي عملية تُعرف باسم إزالة البلمرة، قبل إعادة تجميعها كيميائيا مرة أخرى في عملية عكسية تسمى إعادة البلمرة.
وفي بعض الحالات، تمكنوا من تفكيك بعض المواد البلاستيكية بالكامل إلى المونومرات، وهي جزيئات عضوية صغيرة تتكون منها البلاستيك، في أقل من 24 ساعة.
واستخدم الباحثون في كلية Cockrell للهندسة وكلية العلوم الطبيعية، التعلم الآلي لتوليد طفرات في PETase الطبيعي.
ويتنبأ النموذج بأي طفرات في هذه الإنزيمات ستحقق هدف إزالة بلمرة نفايات البلاستيك بعد الاستهلاك بسرعة في درجات حرارة منخفضة.
ومن خلال هذه العملية، التي تضمنت دراسة 51 حاوية بلاستيكية مختلفة بعد الاستهلاك وخمسة ألياف وأقمشة بوليستر مختلفة وزجاجات مياه كلها مصنوعة من PET، أثبت الباحثون فعالية الإنزيم.
وقال أندرو إلينغتون، الذي قاد تطوير نموذج التعلم الآلي: "يوضح هذا العمل حقا قوة الجمع بين التخصصات المختلفة، من البيولوجيا التركيبية إلى الهندسة الكيميائية إلى الذكاء الاصطناعي". وإعادة التدوير هي الطريقة الأكثر وضوحا لتقليل النفايات البلاستيكية، ولكن تم إعادة تدوير أقل من 10% من جميع البلاستيك على مستوى العالم، وينتهي الأمر بالباقي في مكب النفايات ثم حرقه في نهاية المطاف - وهو أمر كثيف الطاقة وملوث للغاية.
وتستهلك الحلول البيولوجية، بما في ذلك تحطيم البكتيريا للبلاستيك، طاقة أقل بكثير وقد تقدمت أبحاث الإنزيمات بشكل كبير على مدار الخمسة عشر عاما الماضية.
ومع ذلك، حتى الآن، لم يكن أحد قادرا على معرفة كيفية صنع إنزيمات يمكنها العمل بكفاءة في درجات حرارة منخفضة. وهذا ضروري للعمل على نطاق واسع، وجعلها محمولة وبأسعار معقولة على نطاق صناعي كبير.
ويمكن لـ FAST-PETase إجراء العملية في درجة حرارة تتراوح بين 86 و122 درجة فهرنهايت.
ويخطط الفريق الآن لبدء العمل على توسيع نطاق إنتاج الإنزيم، لإعداده للتطبيق الصناعي والبيئي على نفايات البلاستيك الواقعية.
وقدم الباحثون طلب براءة اختراع لهذه التقنية وهم يتطلعون إلى العديد من الاستخدامات المختلفة، مع تنظيف مدافن النفايات وجعل الصناعات التي تنتج نفايات عالية أكثر وضوحا. ولكن استخداما رئيسيا آخر محتملا هو المعالجة البيئية، على أمل أن يتم إرسال الإنزيمات في المستقبل إلى الحقل لتنظيف المواقع الملوثة.