Jak by "superenzymy", které požírají plasty, mohly omezit náš problém s odpadem

7. 2. 2022

Problém znečištění plastem je znepokojivě známý, ale mnoho organizací se snaží o jeho řešení. Vedle známých řešení, jako je recyklace, se objevil překvapivý spojenec: mikroorganismy. Hrstka mikrobů si vyvinula schopnost "požírat" některé plasty a rozkládat je na jejich složky. Tyto drobné organismy by brzy mohly hrát klíčovou roli při snižování množství plastového odpadu a budování ekologičtější ekonomiky.

Jako živočišný druh vyrábíme obrovské množství plastů. Podle obchodního sdružení Plastics Europe bylo v roce 2020, což je poslední rok, za který máme k dispozici údaje, celosvětově vyrobeno 367 milionů tun. Ve srovnání s rokem 2019, kdy bylo vyrobeno 368 milionů tun, to představovalo mírný pokles, ale ten byl pravděpodobně způsoben pandemií covidu-19: předtím se výroba od 50. let 20. století téměř každoročně zvyšovala. Studie z roku 2017 odhadovala, že celkem bylo vyrobeno 8,3 miliardy tun plastů.

Obrovská část z toho se vyhodí. Podle Světové banky bylo v roce 2016 na světě vyprodukováno 242 milionů tun plastového odpadu. Navzdory oblíbené představě skončí v oceánu jen malá část z tohoto množství - moře však přesto mohou každoročně absorbovat více než 10 milionů tun plastů. Kromě nebezpečí, které představují samotné plasty, je nebezpečné i množství přídatných látek, které se vyluhují do vody. "V průběhu času opravdu nevíme, jaké mají účinky," říká Tiffany M Ramosová z dánské univerzity Roskilde.

Velká část plastů končí na skládkách. To nezní tak špatně, ale velká část z nich jsou plasty na jedno použití, které jsou ze své podstaty neekonomické. Výroba plastů vyžaduje těžbu fosilních paliv, jako je ropa, ze země, se všemi riziky znečištění, která s tím souvisejí. Při výrobě plastů se také uvolňují skleníkové plyny, které přispívají ke globálnímu oteplování. Zpráva z roku 2021 uvádí, že jen americký plastikářský průmysl vypouští ročně 232 milionů tun skleníkových plynů, což odpovídá 116 uhelným elektrárnám.

Řešením není přestat plasty používat úplně, protože jsou neuvěřitelně užitečné. Například plastové lahve jsou mnohem lehčí než skleněné, takže jejich přeprava vyžaduje méně energie a uvolňuje menší množství skleníkových plynů. Potřebujeme však revoluci v tom, jak s plasty nakládáme, a zde přicházejí na řadu mikroorganismy.

Na smetišti

V roce 2016 vědci pod vedením mikrobiologa Koheie Ody z Kjótského technologického institutu v Japonsku oznámili překvapivý objev. Odaův tým navštívil recyklační místo, které se zaměřilo na předměty vyrobené z polyethylentereftalátu (PET), čirého plastu, který se používá k výrobě oděvních vláken a nápojových lahví.

Stejně jako všechny ostatní plasty je i PET materiál složený z dlouhých molekul podobných řetězcům. Ty jsou sestaveny z menších molekul spojených do řetězců. Chemické vazby v řetězcích PET jsou pevné, takže má PET dlouhou životnost - což je přesně to, co u plastu na jedno použití nechcete.

Odaův tým odebral vzorky sedimentů a odpadních vod, které byly kontaminovány plastem PET, a prověřil je na přítomnost mikroorganismů, které by mohly na plastu růst. Nalezl nový kmen bakterie s názvem Ideonella sakaiensis 201-F6. Tento mikrob byl schopen růst na kouscích PET. A nejen to: Odaův tým zjistil, že tato bakterie může využívat PET jako hlavní zdroj živin a přitom PET rozkládat.

Klíčem k této schopnosti byla dvojice enzymů, které bakterie vytváří. Enzymy jsou složité molekuly, které mohou urychlit chemické reakce. Pro život jsou klíčové: náš trávicí systém se spoléhá na enzymy, které rozkládají složité chemické látky v potravě na jednodušší, které může naše tělo vstřebat a využít. Například naše sliny obsahují enzym zvaný amyláza, který štěpí dlouhé molekuly škrobu obsažené v potravinách, jako je chléb.

Ideonella sakaiensis 201-F6 produkuje dva jedinečné enzymy. Prvním je PETáza, která štěpí dlouhé molekuly PET na menší molekuly zvané MHET. Druhý enzym zvaný MHETáza pak pracuje na výrobě ethylenglykolu a kyseliny tereftalové. Tyto dvě chemické látky jsou základními stavebními kameny PET, takže Ideonella sakaiensis 201-F6 dokáže zcela zvrátit výrobní proces, při kterém vznikl PET.

Pojídači plastů

Tento objev se dostal na titulní stránky novin po celém světě, ale nejedná se o první příklad organismu, který dokáže rozkládat plasty. Zprávy o mikrobech požírajících plasty pocházejí přinejmenším z počátku 90. let 20. století. První příklady byly pravděpodobně méně pozoruhodné, protože dokázaly požírat pouze plasty, které byly chemicky slabé nebo biologicky rozložitelné. V roce 2000 však vědci objevili enzymy, které si dokázaly poradit i s odolnějšími plasty.

Významným výzkumníkem v této oblasti byl Wolfgang Zimmermann z Lipské univerzity v Německu. Jeho tým studoval enzymy zvané kutinázy, které získal z bakterií, jako je Thermobifida cellulosilytica, a které dokázaly rozkládat i PET.

Lars Blank z univerzity v německých Cáchách se o tom poprvé dozvěděl v roce 2012. Pustil se do vytváření konsorcia výzkumníků, kteří studují enzymy požírající plasty. Vznikl tak projekt P4SB, který probíhal v letech 2015 až 2019. Od té doby Blank založil projekt nazvaný MIX-UP, v jehož rámci spolupracují evropští a čínští výzkumníci.

V polovině roku 2010 byla známa spousta enzymů rozkládajících plasty. Jejich potenciál byl jasný Gabrielle Caruso z Institutu pro pobřežní mořské prostředí v italské Messině  v roce 2015 v přehledu napsala, že "mikrobiální degradace plastů je slibnou ekologickou strategií, která představuje velkou příležitost, jak nakládat s odpadními plastovými materiály bez negativních dopadů".

Proč tedy Ideonella sakaiensis 201-F6 způsobila takový rozruch? "Rozdíl oproti práci z roku 2016 spočíval v tom, že tento mikroorganismus dokázal využít plast jako jediný zdroj energie a potravy," říká John McGeehan z University of Portsmouth. "To je vlastně docela překvapivé a tak trochu to ukazuje evoluční tlak v akci. Pokud jste první bakterií v té hromadě odpadků, která najednou dostane chuť na plast, pak máte neomezený zdroj potravy."

Jinak řečeno, dřívější enzymy se pro plasty nevyvinuly. Vyvinuly se k rozkladu molekul s pevným řetězcem, které se nacházejí v živých organismech, a jejich schopnost rozkládat plasty byla vedlejším efektem. Naproti tomu enzymy v Ideonella sakaiensis 201-F6 byly specializované.

Blank má jiný výklad a tvrdí, že enzymy Ideonella sakaiensis 201-F6 nejsou nijak zvlášť dobré, protože rozkládají PET jen pomalu. "Wolfgang Zimmermann měl v té době mnohem lepší enzymy," říká. Vzrušení, které článek vyvolal, však mělo obrovský dopad. "Najednou se média a také odborná literatura opravdu rozjely a přišel velký zájem."

Lepší a lepší enzymy

O dva roky později McGeehan a jeho kolegové pokročili dále. Vytvořili trojrozměrnou strukturu PETázy Ideonella sakaiensis 201-F6 a objasnili, jak funguje. V naději, že pochopí, jak se vyvinula, strukturu upravili. K jejich překvapení se tím enzym stal při rozkladu PET  účinnějším. Je zřejmé, že enzym bylo možné vylepšit.

McGeehan chce nyní jít dál a upravit PETázu a další podobné enzymy tak, aby je bylo možné používat v průmyslovém měřítku k rozkladu plastů, které by jinak zůstávaly v životním prostředí. "Dostali jsme od vlády velký grant ve výši 6 milionů liber," říká a založili specializovaný institut nazvaný Centrum pro inovace enzymů.

Ten nyní přináší ovoce. V roce 2020 McGeehanův tým oznámil, že propojil enzymy PETázu a MHETázu. Tento "superenzym" by dokázal požírat PET asi šestkrát rychleji než oba enzymy pracující samostatně. Další skupiny, jako je Blankův MIX-UP, vytvořily vlastní modifikované enzymy.

Mezitím existují důkazy, že podobné schopnosti vyvíjejí mikroby po celém světě. Studie publikovaná v říjnu 2021 zkoumala mikrobiální DNA z různých biotopů. V oblastech s vysokou mírou znečištění plasty vědci zjistili, že mikroby častěji disponují enzymy se sklony k rozkladu plastů. V souladu s tím studie z roku 2020 identifikovala půdní bakterie, které se mohou živit některými složkami polyuretanu, při jehož rozkladu se uvolňují toxické chemické látky.

Otázkou nyní zůstává, jak významnou roli mohou tyto enzymy skutečně hrát při snižování znečištění plasty?

Oběhové hospodářství

Většina aktivit se zatím odehrává na univerzitách, ale některé skupiny se pokoušejí tuto technologii komercializovat. Univerzita v Portsmouthu založila společnost Revolution Plastics, jejímž cílem je navázat spojení mezi akademiky a průmyslem. "Už jsme vyhlásili společný doktorandský projekt se společností Coca-Cola," říká McGeehan. Je také součástí mezinárodního výzkumného týmu BOTTLE, který jedná s velkými společnostmi.

Nejpokročilejší projekt vede francouzská biotechnologická společnost Carbios. V září 2021 otevřela pilotní závod v Clermont-Ferrand, kde bude testovat systém recyklace PET. Systém společnosti Carbios využívá enzym, který byl poprvé identifikován v kompostu a který upravili tak, aby fungoval rychleji a mohl pracovat při vysokých teplotách, při nichž je PET měkčí.

Výhodou těchto enzymů je, že rozkládají plast na molekulární úrovni, takže je možné znovu vytvořit plast nejvyšší kvality. Naproti tomu jiné formy recyklace způsobují pomalý pokles kvality, až nakonec plast nelze znovu recyklovat a dostane se na skládku nebo do spalovny. Enzymatická recyklace je alespoň teoreticky skutečně kruhová. "Tomu říkáme uzavřený recyklační systém," říká Ramos. "Něco recyklujete, ale pak jste schopni z toho vyrobit něco nového ve stejné kvalitě." K dnešnímu dni se tímto způsobem recykluje jen malé procento plastů, ale enzymy by to mohly změnit - "což by bylo skvělé."

Plastová láhev se otáčí v kruhu

Přesto však užitečnost enzymů má své meze. "Nikdy to nebude univerzální řešení," říká Ramos a neměli bychom počítat s tím, že enzymy vytřou všechen náš plastový odpad. Některé plasty jsou dokonce tvrdší než PET.

Blank upozorňuje, že enzymy fungují nejlépe, pokud byl plast změkčen zahřátím. To znamená, že vypouštění enzymů do životního prostředí by nepřineslo mnoho dobrého: enzymy skutečně fungují pouze v reaktorech s řízenou teplotou. Řešení problému plastů v moři tedy zůstává stejné jako dříve: musíme je přestat vypouštět.

Přesto se zdá pravděpodobné, že enzymy požírající plasty budou hrát určitou roli v době, kdy se společnost bude ubírat směrem k oběhovému hospodářství, v němž se vše co nejvíce recykluje. Ve studii zveřejněné v červenci 2021 McGeehan a jeho kolegové odhadli, kolik bude enzymatická recyklace PET stát. Vypočítali, že by mohla nákladově konkurovat standardním výrobním metodám, které jako vstupní surovinu používají fosilní paliva.

Klíčové je, abychom byli obezřetní v tom, kde enzymy použijeme, říká Blank. Některé plasty lze recyklovat mechanicky, což je technologie, která se rychle zlepšuje, takže pravděpodobně nejsou nejlepším cílem. Místo toho by se podle něj výzkumníci měli zaměřit na plasty, které nelze recyklovat jiným způsobem - zejména pokud se z nich mohou stát látky, jejichž výroba je jinak nákladná.

V konečném důsledku musí být enzymy součástí revoluce v celém způsobu výroby a používání plastů, říká Ramos. Dodává, že lepší metody recyklace jsou užitečné, ale jsou jen částí řešení. Je také důležité, aby plastové výrobky byly navrženy tak, aby se daly snadno znovu použít a recyklovat. To může znamenat, že se vyhneme konstrukcím, které používají několik druhů plastů nebo spojují plast s jinými materiály, protože ty se recyklují velmi obtížně.

Stejně jako u všech našich environmentálních problémů neexistuje žádný stříbrný enzym. Tyto chemické stroje nám mohou pomoci lépe recyklovat plasty, ale vždy budeme muset sbírat odpadky.