Plastiki to polimery stworzone przez człowieka, które zaczęły być wytwarzane na masową skalę w latach 60. ubiegłego stulecia. Są to tworzywa niezwykłe stabilne i trwałe. Znamy bardzo niewiele czynników prowadzących do ich rozkładu, stąd problem ze składowaniem i wykorzystaniem plastiku oraz ogromnym zanieczyszczeniem środowiska wciąż narasta. Najlepiej poznaną drogą „rozkładu” plastiku jest fotodegradacja pod wpływem promieniowania UV połączona z mechanicznym rozpadem. Najczęściej dochodzi do niego w środowisku morskim pod wpływem działania fal, wiatru i rozbijania o skały.

Jak powszechnie wiadomo, plastiku w środowisku wodnym niestety nie brakuje, zaś produktem tych procesów są drobne fragmenty polimerów, tzw. mikroplastik. Jest to pojemne określenie obejmujące każdy rodzaj plastiku, którego cząsteczki nie przekraczają długością 5 mm. Wyróżnia się także nanoplastik, definiując rozmiar jego cząsteczek jako nieprzekraczający 1 µm. Mikroplastik pochodzący z rozkładu większych kawałków plastiku, m.in. butelek, plastikowych toreb czy odzieży z tworzyw sztucznych, określa się jako wtórny. Mikroplastik pierwotny to ten, który wyjściowo przyjmuje takie rozmiary w postaci np. mikrowłókien, mikrokulek czy plastikowego pelletu. Jego źródłem w środowisku są głównie odpady z fabryk i drobinki zawarte w kosmetykach. Na chemiczną strukturę mikroplastiku składają się takie polimery jak: polietylen (PE), poliamid (PA), politereftalan butylenu, nylon, polipropylen (PP), polistyren (PS), chlorek poliwinylu (PCV), poliuretan (PUR), politereftalan etylenu (PET). Mikroplastik jest trudny do wychwycenia w oczyszczalniach ścieków, dlatego może znajdować się nawet w wodzie wodociągowej. W środowisku mikroplastik akumuluje się w ekosystemach wodnych, glebie i organizmach żywych, gdzie przenoszony jest w górę łańcucha pokarmowego, trafiając także do naszych żołądków.

Natura nie radzi sobie jak dotąd z plastikiem, ponieważ nie przystosowała się ewolucyjnie do jego stosunkowo krótkiej obecności, np. wytwarzając specyficzne enzymy. Plastik jest wymagającym substratem dla rozkładu enzymatycznego. Niejednokrotnie tworzywa sztuczne są mieszanką polimerów zawierającą różne typy dodatków. Są to materiały o dużej masie cząsteczkowej, silnych wiązaniach węglowych i ekstremalnie hydrofobowej powierzchni. Niemniej, istnieją mikroorganizmy, które są w stanie rozkładać niektóre z polimerów stworzonych przez człowieka. Bakterie zdają się także odnajdywać własne sposoby oddziaływania z mikroplastikiem.

Rozkład enzymatyczny z udziałem mikrobów

Degradacja plastiku z udziałem enzymów mikroorganizmów jest procesem wolnym i dotyczy jedynie niektórych rodzajów polimerów. Niemniej, biorąc pod uwagę zdolność adaptacyjną mikrobów, obecna wiedza może być jedynie wierzchołkiem góry lodowej. Odpowiedzi poszukuje się w szeroko zakrojonych badaniach metagenomicznych.

Najlepiej zbadaną grupą enzymów są tzw. PETazy. PET może być rozkładany przez hydrolazy (w tym lipazy, esterazy, kunytazy), które produkuje kilka typów bakterii i grzybów. Większość tych, które udało się wyizolować, należy do typu Gram-dodatnich promieniowców lub grzybów z rodzaju Fusarium. Najbardziej spektakularnym przykładem jest jednak opisana w 2016 r. Gram-ujemna Ideonella sakaiensis 201-F6, wyizolowana w pobliżu zakładu recyklingu plastikowych butelek w Japonii, jako element większego konsorcjum bakterii, protistów i grzybów. I. sakaiensis wykorzystuje PET jako jedyne źródło węgla i energii. Bakteria wytwarza hydrolazę (PETazę) rozkładającą PET do kwasu mono(2-hydroksyetylo)tetraftalowego MHET, który następnie rozkładany jest przez bakteryjną hydrolazę MHET (MHETazę). Dzięki wstępnemu rozkładowi prowadzonemu przez I. sakaiensis cała społeczność mikroorganizmów jest w stanie przetworzyć PET do dwutlenku węgla. Bakteria typu dzikiego może rozkładać 0,2 mm warstwę niskokrystalicznego (miękkiego) PET w ciągu 6 tygodni. W literaturze raportowano także zdolność bakterii i grzybów do enzymatycznego rozkładu poliuretanu, polietylenu i poliamidu.

Rzecz ma się podobnie w przypadku mikroplastiku. Pod względem chemicznym i fizycznym nie różni się on od większych odpowiedników, jednak ma zdecydowanie większy stosunek powierzchni do objętości. Zdolność do powolnego rozkładu mikroplastiku wykazują niektóre szczepy bakterii środowiskowych z rodzaju Bacillus, Rhodococcus, Enterobacter, Chelatococcus, Comamonas, Pseudomonas, Paenibacillus, także I. sakaiensis. Badano również niektóre grzyby z rodzaju Aspergillus, Penicillium, Pestalotiopsis, Zalerion. Są to izolaty pochodzące m.in. z nadbrzeży morskich, osadów namorzynowych, larw mola woskowego, gleby, kompostu, osadów fermentacyjnych. Poza widocznymi zmianami strukturalnymi, jak tworzenie porów i bruzd na powierzchni mikroplastiku, mikroorganizmy te modyfikują także grupy funkcyjne.

Mikroplastik jako nowa nisza ekologiczna

Pod względem ewolucyjnym mikroplastik stanowi nowy rodzaj niszy, służąc mikroorganizmom jako podpora, miejsce wzrostu oraz źródło węgla. W środowisku naturalnym mikroby wykorzystujące mikroplastik tworzą najczęściej wielogatunkowe konsorcja lub biofilm. Zdolność tę można być może wykorzystać w opracowaniu strategii bioremediacji wód. Na Politechnice w Hongkongu przeprowadzono doświadczenie z zastosowaniem powszechnie występującej bakterii środowiskowej Pseudomonas aeruginosa. Tworząc biofilm, produkuje ona klejącą strukturę złożoną z egzopolimerów (ang. exopolymeric substances, EPS), która wychwytuje mikroplastik w środowisku wodnym. Agregaty mikroplastiku różnego typu, w odpowiednio kontrolowanym procesie, mogą być następnie odłączone od biofilmu i wykorzystane do recyklingu.

Oddziaływanie bakterii z mikroplastikiem może jednak prowadzić do rozwoju mniej optymistycznych scenariuszy. Ze względu na rosnącą ilość mikroplastiku w środowisku wodnym opłaszczające go bakterie stają się „autostopowiczami” zdolnymi do przemierzania ogromnych odległości. Mikroplastik coraz częściej postrzegany jest jako wektor służący rozprzestrzenianiu bakterii patogennych i wielolekoopornych. Stanowi to szczególne zagrożenie dla organizmów morskich, które pobierają mikroplastik wraz z pokarmem. Bakterie z rodzaju Vibrio są częstą przyczyną chorób skorupiaków hodowlanych. Zdolność tych bakterii do wiązania się z mikroplastikiem budzi obawy wśród hodowców akwakultur. W mikroplastiku doszukuje się także przyczyn rosnącej liczby infekcji wśród koralowców regionu Azji i Pacyfiku.