Ne nadarmo jsou poslední desetiletí nazývána dobou plastovou. Bez nadsázky lze říci, že plastové materiály jsou neodmyslitelnou součástí všech moderních průmyslových odvětví. Kromě předností však s sebou nesou i závažná nebezpečí pro životní prostředí.
Mezi hlavní přednosti těchto materiálů patří jejich pevnost, trvanlivost a nízká hustota. Na druhé straně produkce plastů v současném měřítku ohromně zatěžuje životní prostředí. Není žádným tajemstvím, v jak velké míře se plasty akumulují ve světových oceánech a v dalších vodních zdrojích například v podobě tzv. mikroplastů, které se tak dostávají i do potravin.
Tyto částice, které jsou menší než 5 mm, se mohou prokazatelně usazovat například v plicích a rovněž mohou přispívat k mutacím v genetické informaci živých organismů a k rozvoji rakovinných onemocnění. Pro ilustraci lze uvést studii zveřejněnou v roce 2020 pod vedením Qiang Chena z šanghajské School of Life Science. V rámci této studie byli raci červenoklepetí vystaveni po dobu 21 dní polystyrenovým kulovitým nanočásticím o průměru 200 nanometrů. Po uplynutí této doby byly usazeniny těchto částic objeveny ve střevním a slinivkojaterním systému. Došlo také k výraznému zpomalení vývoje u ráčat. Je zřejmé, že plasty mají výrazně negativní vliv na životní prostředí, jehož jsme součástí.
Rozložitelnost plastových materiálů
V závislosti na chemickém složení těchto plastových materiálů je lze rozdělit do dvou skupin – rozložitelné a nerozložitelné polymery. Do první zmíněné skupiny patří plasty produkované z přírodních zdrojů, jako je například celulóza, škrob nebo mořské řasy. Do druhé skupiny typicky spadají syntetické materiály vznikající přeměnou z petrochemických ropných produktů. Nicméně existují výjimky z výše uvedeného popisu. Ne všechny plasty pocházející z přírodních zdrojů jsou nutně rozložitelné a naopak.
Rozložitelné plasty můžeme dále rozdělit do tří kategorií. První z nich tvoří fotodegradovatelné bioplasty. Tyto materiály se rozpadají v důsledku dlouhodobého působení ultrafialového záření. Uměle vyvolaná fotodegradace některých takových materiálů ale může vést k tvorbě toxických těkavých organických látek. Do druhé skupiny spadají bioplasty pocházející částečně, nebo plně z přírodních místo fosilních zdrojů. Poslední skupinu tvoří biodegradovatelné plasty, tedy plasty, které se rozkládají působením mikroorganismů. Produkty vznikajícími biologickým rozkladem těchto plastů jsou netoxická biomasa a bioplyn (například oxid uhličitý).
Druhy degradace plastů
Kromě již výše nastíněného povrchového fotooxidačního rozkladu se velice často využívá i dalších rozkladných mechanismů. Jedním z nich je termální degradace, která spočívá ve vystavení plastového odpadu ultrafialovému záření při velkém zahřívání. Takto dochází k rozkladu v celém objemu materiálu, nejen na jeho povrchu. Tímto způsobem je možné například zcela rozložit plast polymethylmethakrylát (PMMA, běžně známý jako plexisklo nebo akrylátové sklo) na jeho základní stavební jednotky.
Další způsoby rozkladu plastů zahrnují použití atmosférického ozónu, který je velice účinným oxidačním činidlem. Obdobně se také plastové odpady spalují při vysokých teplotách vzdušným kyslíkem. Plasty se též rozkládají mechanicky za vysokých tlaků a vystavování ultrazvukovým vlnám. Předmětem zájmu se v poslední době stává degradace polymerů katalyzovaná kovovými materiály s obsahem platiny, molybdenu, kobaltu, chromu, niklu a železa za přítomnosti oxidu křemičitého či oxidu hlinitého.
Biodegradace plastů
Jak již bylo zmíněno, jakákoliv fyzikální či chemická změna materiálu způsobená mikroorganismy se nazývá biodegradací. Mezi tyto mikroorganismy patří různé druhy bakterií a hub. Biodegradace plastových materiálů může, ale také nemusí probíhat za přítomnosti kyslíku. Pokud je pro mechanismus rozkladu nutná přítomnost kyslíku, mluvíme o tzv. aerobní biodegradaci, kdy z výchozího plastového polymeru vzniká oxid uhličitý, voda a vedlejší zbytkový uhlíkatý produkt. Jestliže k rozkladu není nutná přítomnost kyslíku, hovoříme o anaerobní biodegradaci. V tomto případě se výchozí plast rozkládá na oxid uhličitý, vodu, zbytkový uhlíkatý produkt a další nízkomolekulární látky jako například methan nebo sulfan v závislosti na tom, jaký druh mikroorganismu rozklad způsobuje.
Co se týče průběhu procesu biodegradace, tak se mikroorganismy nejprve navážou na povrch plastového polymeru. Následně tyto mikroby vylučují rozkladné enzymy, které štěpí dlouhé polymerní molekuly plastu na menší části a ty již mohou prostupovat buněčnou membránou dovnitř buněk těchto organismů. V konečném důsledku si dalším rozkladem těchto plastových polymerů mikroorganismy zajišťují přísun sloučenin, které jim po následné oxidaci poslouží jako zdroj energie.
Biodegradace plastů je závislá na celé řadě dalších faktorů. Mezi ty hlavní patří chemické složení a prostorové uspořádání plastových polymerů. Svoji roli také hrají hustota, molekulová hmotnost, rozpustnost a tvrdost materiálu. Například polymery s nahodilou prostorovou strukturou jsou méně chráněné před působením mikrobiálních enzymů než polymery s jasně definovaným pravidelným krystalickým uspořádáním.
Rozklad polyethylenu
Jedním z nejčastěji užívaných polymerů pro výrobu plastových materiálů je termoplast polyethylen (PE). Typicky jsou z PE vyráběny například plastové sáčky a obaly. Podle dostupných údajů se v přírodním prostředí každý rok naakumuluje přibližně 25 milionů tun PE. Vzhledem k jeho chemické povaze je tento materiál velice těžko biodegradovatelný. Tento problém se dá částečně řešit řízeným ultrafialovým ozařováním, oxidací a termooxidací. V důsledku těchto úprav je výsledný PE náchylnější k biodegradaci.
Nicméně i tak byly identifikovány některé bakteriální druhy, které této biodegradace jsou samy o sobě schopné. Jedná se zejména o určité rody streptokoků, bacilů, pseudomonád, mikrokoků, stafylokoků a Klebsielly. Mezi houbové mikroorganismy s touto schopností patří například rody Mucor a Aspergillus.
Pomyslným šampiónem v rozkladu nízkohustotního PE je Bacillus vallismortis. Tato bakterie byla po 120 dnech inkubace schopná rozložit až 75 % výše uvedeného polymeru. Vysokého stupně rozkladu stejného polymeru dosahují i druh plísně Aspergillus oryzae a bakterie Bacillus cereus, které po 112 dnech rozložily přibližně 36 % výchozího materiálu. Bakterie Klebsiella pneumoniae se s 18 % po 60 dnech inkubace taktéž umístila na předních příčkách v rozkladu vysokohustotního PE. Velice podobných stupňů přeměny dosáhl i druh Pseudomonas fluorescens a smíšené kolonie bakterií rodů Bacillus a Paenibacillus.
Osobní odpovědnost
Biodegradace se jeví jako jedna z možných slibných alternativ rozkladu odpadních plastů vzhledem k její relativně nízké ceně a možnosti použití i při nízkých koncentracích odpadního materiálu. V tomto ohledu je nicméně třeba dalšího vědeckého bádání. Současný výzkum se primárně soustředí na samotné rozkladné mikroorganismy, rozkladné enzymy a stanovení optimálních podmínek pro biodegradaci. Problematika zpracování odpadních plastů je vzhledem k vlivům na naše zdraví a stabilitu životního prostředí velice závažná a pravděpodobně nás bude provázet ještě velmi dlouhou dobu. Není však rozumné odpovědnost za stávající a budoucí stav věcí svalovat na neziskové, výzkumné a další organizace. K uvolnění tlaku na životní prostředí může svým dílem, byť velmi malým, přispět každý z nás. Mezi obvyklá doporučení se řadí omezení nákupu a spotřeby plastových produktů, třídění a recyklace odpadů. Země je jedinou známou planetou, která umožňuje existenci života. Snad tomu tak zůstane i nadále.
Zdroj:
Zeenat, Amina Elahi, Dilara Abbas Bukhari, Saba Shamim, Abdul Rehman; Plastics degradation by microbes: A sustainable approach; Journal of King Saud University - Science; Volume 33; Issue 6; 2021; 101538; ISSN 1018-3647.
