V přírodě se v poslední době nahromadilo mnoho plastu a mikroorganismy si nenechají ujít příležitost pochutnat si na něm. Nedávno byly objeveny bakterie Ideonella sakaiensis, schopný rozkládat polyethylentereftalát pomocí enzymu PETázy. Tento proces je nyní tak dobře prozkoumán, že již byly vyvinuty technologie pro jeho průmyslové mikrobiologické zpracování, které mohou být v blízké budoucnosti uvedeny do praxe. U jiných typů plastů je však situace mnohem horší. Jsou odolnější vůči biologickému rozkladu a málo se ví o tom, jak se ve skutečnosti rozkládají. Ještě se musíme hodně naučit, než budeme moci mikroorganismy použít k řešení problémů životního prostředí. Něco se však stále ví a o tom nyní bude řeč.
Málokdo by namítl, že domovní odpad v životním prostředí je špatný. Největší problém představují plasty, tedy různé syntetické polymery [1]. Na skládkách se téměř nerozkládají a recyklace je často nemožná kvůli složitosti třídění. Hlavním problémem je obrovská rozmanitost polymerů. Různé typy se musí zpracovávat samostatně, ale vzhledově jsou téměř stejné. Přitom pouze pět nejběžnějších polymerů má samostatné označení a zbytek velké rozmanitosti je téměř vždy označen stejně a v zásadě se nerecykluje. Nemluvě o tom, že mnoho druhů obalů je směsí různých druhů plastů a dalších materiálů.
Nejjednodušším řešením se zdá být standardizace obalů – použití malého množství polymerů, které se budou snadno třídit a recyklovat. Pro výrobce je však obal často téměř důležitější než samotný produkt, a tak ne každý bude moci v blízké budoucnosti přestat používat vzácné druhy plastů. Navíc je potřeba něco udělat s odpadky, které se již vytvořily.
Spalování odpadků ze skládek není nejlepší nápad, protože se neví, jaké látky jsou součástí jeho složení a co se stane, když se spálí. To ztěžuje vytvoření spolehlivého čisticího systému. Je mnohem lepší, když se odpadky rozloží samy, ale musíte tento proces nějak urychlit a nejlépe z něj získat další užitek.
K rozkladu plastu dochází sice pomalu, ale jistě. U více než 60 syntetických polymerů, včetně těch nejběžnějších, byly nalezeny mikroorganismy schopné se jimi živit. Je známo více než 430 druhů mikroorganismů, které rozkládají jakýkoli typ plastu [2–4].
Všechny polymery lze rozdělit do dvou hlavních skupin: hydrolyzovatelné a nehydrolyzovatelné. Mezi první patří PET, polyuretan, polylaktid a všechny ostatní polymery vzniklé při polykondenzační reakci, tedy při separaci molekul vody. Mikroorganismy mohou poměrně snadno zničit takové polymery přidáním zpět vody. Tento proces je v přírodě rozšířený a velmi dobře prostudovaný. Nazývá se hydrolýza a je prováděna hydrolázovými enzymy. Nyní jsou známy enzymy, které specificky rozkládají určitý typ plastů, například PET hydrolázu, PVA hydrolázu a další. Byly získány modifikované enzymy se zvýšenou aktivitou a dokonce byly vyvinuty metody průmyslového mikrobiologického zpracování plastů na hodnotné produkty [5].
Situace je mnohem obtížnější u nehydrolyzovatelných polymerů, ve kterých jsou monomery spojeny vazbami uhlík-uhlík. Patří sem polyethylen, polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), všechny druhy pryží atd. V takových polymerech je velmi obtížné přerušit vazby. Toho lze dosáhnout pouze oxidací. Přesto se s tím mikroorganismy vyrovnávají, i když ne tak dobře jako s hydrolyzovanými polymery.
Rekordmany v této oblasti jsou bakterie z rodů Pseudomonas и bacil: Mohou degradovat všechny hlavní typy plastů a mnoho dalších polymerů a xenobiotik obecně.
Nejlépe se rozkládá polyetylen, je také nejběžnější a nejstudovanější. Schopnost živit se polyethylenem byla prokázána u asi 70 druhů mikroorganismů a každý z ostatních běžných polymerů byl prokázán jen u asi 15. K přerušení vazeb v polyethylenu se používají tyto enzymy: alkanmonooxygenázy AlkB (známé také jako alkanhydrolázy), lakázy a manganperoxidázy. Enzymy pro jiné nehydrolyzovatelné polymery nejsou známy, ale s největší pravděpodobností se jedná o stejné enzymy jako pro polyethylen nebo něco velmi podobného. Tyto enzymy jsou za prvé přítomny v některých mikroorganismech, u kterých byla prokázána schopnost rozkládat PP, PS a PVC, a za druhé mají velmi nízkou specificitu, to znamená, že oxidují mnoho různých substrátů. Ale obecně je téma rozkladu nehydrolyzovatelných polymerů prostudováno spíše špatně [2].
Polyetylen a olej
V přírodě se z ničeho nic nerodí, takže nejlogičtější způsob, jak hledat schopnost rozkládat plast, je mezi enzymy, které něco podobného rozkládají. Polyetylen je v podstatě velmi dlouhý alkan, a tak není divu, že jej mohou štěpit enzymy odpovědné za oxidaci uhlovodíků.
Hlavními složkami ropy jsou alkany s dlouhými uhlíkovými řetězci. Navíc jsou součástí kutikuly některých rostlin a živočichů, kde chrání před ztrátou vlhkosti. Mikroorganismy schopné živit se uhlovodíky jsou v přírodě rozšířené. Zvláště dobře se cítí v místech antropogenního znečištění ropnými produkty a lidé se je již naučili používat k eliminaci tohoto znečištění.
Schopnost rozkládat polyethylen byla prokázána u monooxygenáz AlkB. Jsou to nejběžnější enzymy, které oxidují alkany. AlkB je membránový enzym, který provádí následující reakce:
Alkan + 2 + 2H + + 2e = alkan-1-ol + H2О
Kromě toho mohou AlkB hydroxylovat širokou škálu alifatických, alicyklických a alkylaromatických sloučenin, demethylovat methylestery a oxidovat alkeny s dvojitým koncem na aldehydy a epoxidy. Tyto enzymy jsou příbuzné s některými desaturázami a epoxidázami mastných kyselin a mají podobnou strukturu aktivního místa a katalytický mechanismus [6].
AlkB se skládá ze šesti hydrofobních alfa helixů překlenujících membránu a dvou hydrofilních alfa helixů umístěných v cytoplazmě (obr. 1). Aktivní centrum zahrnuje 8 histidinových zbytků a glutamát, které jsou nezbytné pro stabilizaci dvou iontů železa [7].
Obrázek 1. Struktura AlkB. Šedé válce – alfa šroubovice; červené kruhy — ionty železa; bílé kruhy — histidinové zbytky (nejsou uvedeny všechny).
