Biodegradazione della plastica: la soluzione nel microbiota di un coleottero

La biodegradazione è un processo che comporta la scomposizione di un composto organico in molecole più semplici, grazie all’intervento di microrganismi già presenti in natura. L’obiettivo è di trasformare il composto di partenza in prodotti innocui sia per l’ambiente che per l’uomo. A tal proposito, la scoperta di una nuova specie di coleottero e della sua capacità di degradare il polistirene attraverso il suo microbiota intestinale, permetterà di pensare alle possibili applicazioni biotecnologiche.

Cos’è la plastica? Perché è un problema?

La plastica è un materiale organico ad alto peso molecolare e può essere costituita da polimeri puri o miscelati con additivi. I polimeri più comuni sono quelli prodotti a partire dal petrolio e dai suoi derivati perché la loro lavorazione è molto più semplice ed economica. Le fasi che portano alla nascita dei polimeri sono le seguenti:

  • estrazione di petrolio greggio o gas naturali,
  • raffinerie, processo di trasformazione, dove sono trasformati in etano dal petrolio greggio e propano dal gas naturale,
  • cracking o rottura molecolare,
  • successivamente avviene la polimerizzazione tramite l’aggiunta di catalizzatori che porta alla formazione delle resine. Poi queste vengono sciolte, raffreddate e trasformate in pellet.

Le resine vengono identificate tramite l’uso di codici stilati dal sistema americano detto SPI (Society of the Plastics Industry), che consiste in un triangolo (simbolo del riciclo) e un numero corrispondente a un tipo di materia plastica.
In questo studio il tipo di plastica sottoposta a biodegradazione è stato il polistirene identificato secondo il SPI con il codice 6.

Il polistirene

Il polistirene è un polimero puro termoplastico, ovvero acquista malleabilità sotto l’azione del calore; può essere modellato in oggetti finiti che successivamente, per raffreddamento, acquistano rigidità. La polimerizzazione dello stirene a temperatura ambiente è lenta e spontanea perciò la reazione richiede iniziatori capaci di produrre radicali. La reazione è esotermica e per tale ragione è necessario che gli impianti siano regolati per evitarne il surriscaldamento.

Immagine di polistirene al microscopio elettronico a scansione, tipo di plastica che lo studio ha dimostrato essere biodegradadato dal coleottero.
Figura 1 – Immagine di polistirene al microscopio elettronico a scansione

Variando le condizioni di reazione è possibile regolare la lunghezza delle catene polimeriche, solitamente costituite da un numero di monomeri compreso tra 500 e 2.000.

Tipi del polistirene

Il polistirene viene generalmente venduto in forma di sferette o piccoli chips trasparenti, adatti per essere fusi e iniettati negli stampi o trasformati, per calandratura, in lastre per termoformatura. I tipi di polistirene che si possono ottenere sono elencati qui di seguito:

  • (EPS) Polistirene Espanso Sinterizzato
  • (XPS) Polistirene espanso estruso
  • (HIPS) Polistirene antiurto

Utilizzi del polistirene

Le proprietà meccaniche ed elettriche del polistirene gli permettono di essere utilizzato in diversi settori. L’industria alimentare ne fa largo impiego per la produzione di posate e piatti di plastica, involucri per le uova, barattoli per yogurt. Mentre nell’industria manifatturiera viene impiegato ovunque serva una plastica rigida ed economica, come per i contenitori dei CD e DVD e porta targhe. Nei laboratori di ricerca e di analisi si fa largo uso di piastre di Petri e provette. Il vantaggio rispetto alla cera, che deve essere sciolta e fatta uscire dallo stampo, è che il polistirene, a contatto con il metallo fuso, sublima lasciando così la cavità vuota.

Plastica monouso prodotta tramite l'utilizzo del polistirene
Figura 2 – Plastica monouso prodotta tramite l’utilizzo del polistirene

Plesiophthalmus davidis e la biodegradazione

Il team coordinato dal professore Seongwook Woo del dipartimento di ingegneria chimica dell’Università di Scienza e Tecnologia di Pohang e del dipartimento di chimica applicata dell’Università nazionale di Andong hanno scoperto una nuova specie di coleottero in grado di degradare il polistirene. Questo coleottero chiamato Plesiophthalmus davidis, appartenente alla famiglia Tenebrionidae, vive nel nord-est asiatico, compreso il nord e la regione centrale della Cina nonché la penisola coreana.

Esemplare di Plesiophthalmus davidis, tipo di  coleottero implicato nella biodegradazione del polistirene.
Figura 3 – Esemplare di Plesiophthalmus davidis, tipo di coleottero implicato nella biodegradazione del polistirene.

Il fenomeno della biodegradazione è stato osservato nello stadio larvale, queste sono state alimentate con del polistirolo per circa quattordici giorni, in cui hanno ingerito e degradato 34,27 ± 4,04 mg di polistirene. Inoltre i ricercatori hanno osservato che le larve alimentate col polistirolo avevano un tasso di mortalità pari allo zero.

Come avviene la biodegradazione?

La degradazione del polistirene espanso avviene per opera dell’azione del microbiota intestinale delle larve del coleottero; per dimostrarlo i ricercatori hanno incubato del polistirolo incontaminato per venti giorni in un mezzo privo di carbonio con la flora intestinale delle larve di Plesiophthalmus davidis dopo essere state alimentate per un periodo di ventotto giorni. Osservando poi il polistirolo al microscopio elettronico a scansione è stato possibile osservare la presenza di cavità e la formazione di biofilm dove avveniva la degradazione del polistirolo.

Immagine al microscopio elettronico a scansione, in cui si osserva il polistirolo degradato grazie all'azione del batterio Serratia sp.WSW, le frecce gialle indicano l'extracellulare
sostanza polimerica e le frecce bianche indicano le appendici cellulari di Serratia sp. WSW
attaccato alla superficie della pellicola di polistirolo.
Figura 4 – Immagine al microscopio elettronico a scansione, in cui si osserva il polistirolo degradato grazie all’azione del batterio Serratia sp.WSW, le frecce gialle indicano l’extracellulare
sostanza polimerica e le frecce bianche indicano le appendici cellulari di Serratia sp. WSW
attaccato alla superficie della pellicola di polistirolo.

Inoltre analizzando il microbiota intestinale delle larve del coleottero è stato osservato che durante il periodo nel quale la larva si nutriva di polistirolo, si riscontrava un aumento dalle sei alle undici volte di batteri appartenenti al genere Serratia e Lactococcus. In particolare l’aumento riguardava il primo genere e questo fa pensare come i batteri appartenenti al genere Serratia giochino un ruolo principale nella biodegradazione del polistirolo, con l’aiuto del genere Lactococcus. La specie prevalente identificata è stata quella di Serratia fonticola, un insolito batterio patogeno per l’uomo, in cui si è riscontrato un aumento del 33%.

Abbondanza relativa del microbiota intestinale delle larve di Plesiophthalmus davidis con e senza essere state alimentate con il polistirolo.
Figura 5 – Abbondanza relativa del microbiota intestinale delle larve di Plesiophthalmus davidis con e senza essere state alimentate con il polistirolo.

Fonti

  • Fast and facile biodegradation of polystyrene by the gut microbial flora of Plesiophthalmus davidis larvae” Seongwook Woo, Intek Song, Hyung Joon Cha. Applied and Environmental Microbiology, 2020
  • “Processi biologici nel destino degli inquinanti nel sottosuolo” Federico Aulenta, Dipartimento di Chimica Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
  • “Polystyrene: synthesis, production and applications” J.R. Wunsch, Smithers Rapra Publishing, 2000, ISBN 1-85957-191-3.
  • “Serratia fonticola, pathogen or bystander? A case series and review of the literature” Abdullah Aljorayid, Roberto Viau, Laila Castellino, and Robin L.P. Jumpc Published online 2016 May 24. Elsevir

Ismael Sanchez Polanco

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