I microorganismi dei ruminanti ci aiutano nella degradazione dei biopolimeri di plastica

Microorganismi come batteri, funghi, microalghe, stanno diventando una risorsa naturale sempre più richiesta in campo biotecnologico e bioingegneristico. Essi hanno la capacità di poter essere utili in ambito farmaceutico, cosmetico, alimentare. Possono, però, essere utili anche nella ricerca di strategie di rimedio ai danni ambientali che le attività umane hanno contribuito ad incrementare negli ultimi anni. Uno di questi è sicuramente la diffusione della plastica.

La diffusione della plastica

La produzione della plastica è aumentata esponenzialmente negli ultimi 60 anni, al punto da definire la nostra era come “età della plastica”. Il primo a produrre plastica fu lo studioso Alexander Parkes, tra il 1861 ed il 1862. Egli ha inventato il primo materiale plastico, battezzato Parkesine e successivamente riconosciuto come Xylonite. Da allora non ci si è più fermati. Abbiamo continuato a produrre sempre più plastica.

Figura 1 - plastica depositata sulle spiagge
Figura 1 – plastica depositata sulle spiagge [flickr.com]

Ma perché usiamo così tanto questo materiale? Quali benefici ha? La risposta è semplice: la plastica è un materiale versatile, resistente e dura a lungo prima di degradarsi. I polimeri di plastica, ad oggi, sono una seria minaccia soprattutto per l’ambiente marino. Attualmente il 60-80% di spazzatura mondiale è sotto forma di plastica ed il 10% di questo materiale finisce in mare. Le fonti attraverso le quali questo tipo di spazzatura finisce negli ambienti acquatici sono per lo più:

  • spiagge
  • scarichi della acque reflue
  • deflussi delle acque piovane
  • strumenti usati per la pesca professionale ed amatoriale

Nel 2008 delle importanti decisioni sono state prese a riguardo. Infatti, la direttiva quadro 2008/56/CE include la plastica nei rifiuti marini, che devono essere anch’essi usati come descrittori di un buono stato ecologico delle acque. Molti scienziati hanno lavorato alla determinazione di protocolli standardizzati per il monitoraggio della plastica negli ambienti marini. La questione, però, non è semplice. Il ciclo della plastica nei mari e negli oceani non è un qualcosa di gestibile in maniera rapida e diretta; anche perché a complicare l’analisi c’è la produzione ed il rilascio delle microplastiche.

La minaccia della micro-plastica

In natura abbiamo contribuito a produrre diversi tipi di polimeri costituenti la plastica. I più comuni tra questi sono:

  • polietilene (PE)
  • polipropilene (PP)
  • polistirene (PS)
  • polivinilcloruro (PVC)
  • polietilene tereftalato (PET)
Figura 2 - PET usato per diversi prodotti di consumo e riciclabile
Figura 2 – PET usato per diversi prodotti di consumo e riciclabile [incopack.it]

Il loro destino ambientale dipende principalmente dalle loro caratteristiche. Ognuno di questi materiali è dotato di una specifica densità. Questo inciderà sulla loro capacità di galleggiare e quindi sul loro posizionamento lungo la colonna d’acqua. In base, dunque, a dove si posizioneranno, avranno una certa possibilità di interagire con il biota. Questa possibilità influisce chiaramente sulla loro possibile degradazione, insieme a tutta un’altra seria di meccanismi chimico-fisici. Un esempio di tali meccanismi può essere il movimento delle onde che si rivela essere fonte di abrasione per il materiale. Ma anche la temperatura gioca un ruolo importante. Infatti, la degradazione di questi polimeri avverrà molto più velocemente sulla spiaggia, dove si può arrivare sino ai 40 gradi d’estate. Al contrario, in mare la degradazione sarà più lenta a causa di una temperatura più bassa.

Tali tipi di meccanismi, però, hanno anche un altro effetto: la produzione di microplastiche. Le microplastiche hanno generalmente una grandezza inferiore ai 5 mm e la loro presenza è stata segnalata in tutto il mondo, dalle regioni polari all’equatore. Esse possono essere definite come primarie o secondarie, a seconda della loro fonte di origine. Quelle secondarie, infatti, derivano dalla frammentazioni di plastiche di dimensioni maggiori. Quelle primarie sono introdotte direttamente negli ambienti acquatici, poiché costituiscono prodotti quali, esfolianti per il viso, dentifricio, o indumenti sintetici.

L’effetto delle microplastiche sugli organismi marini

Condurre esperimenti direttamente in mare non è affatto agevole. Per questa ragione, molti studi sono stati condotti in laboratorio ed hanno portato alla raccolta di dati interessanti, quanto preoccupanti. Ad esempio, i ricercatori hanno riscontrato che micro-particelle di polistirene possono attaccarsi alla cellulosa delle alghe appartenenti alla classe delle Cloroficee, con conseguente inibizione della fotosintesi ed insorgenza di stress ossidativo. Inoltre, è stato dimostrato che l’ingestione di microplastiche influisce anche sulla salute dello zooplancton marino. Gli effetti analizzati sono stati la diminuzione del tasso di alimentazione e del successo della fecondità. In aggiunta, gli scienziati hanno appurato che questi micro-polimeri possono spostarsi mediante il flusso sanguigno ed accumularsi in diversi tessuti di animali marini.

Per tali motivi, non è difficile desumere che quando consumiamo prodotti ittici, alla lunga lo stesso effetto potrebbe verificarsi anche nel nostro organismo. Ecco perché le microplastiche sono così passate dall’essere considerate “inquinanti emergenti” ad essere riconosciute come una vera e propria minaccia. In quanto tale, quindi, esiste l’urgente necessità di valutare meglio la loro distribuzione negli oceani.

Figura 3 - l'effetto della plastica sugli animali
Figura 3 – l’effetto della plastica sugli animali [commons.wikimedia.org]

La produzione di biopolimeri di plastica

I biopolimeri sono così definiti perché derivano per lo più da fonti naturali e subiscono un deterioramento chimico e fisico completo. Non ne resta traccia nell’ambiente. E’, però, importante capire che la biodegradabilità è una caratteristica indipendente dalla loro origine. Infatti, la loro biodegradabilità varia in base alla loro costituzione finale, cioè alla loro struttura. I polimeri della plastica derivano dal petrolio che per definizione è naturale, ma la struttura fa di loro un problema ambientale.

I biopolimeri più abbondanti e comunemente disponibili possono essere classificati in tre gruppi, in base al loro costituente principale:

  • zucchero: in tal caso la materia prima dalla quale provengono è un carboidrato. Ci sono, ad esempio, quelli costituiti da acido lattico, proveniente dal lattosio
  • amido: in tal caso esso è facile da reperire, in quanto è ampiamente immagazzinato e disponibile nei tessuti delle piante
  • cellulosa: in tal caso la cellulosa costituisce il biopolimero più abbondante nelle pareti vegetali e quindi facilmente accessibile

Abbiamo, quindi, la possibilità di mettere in commercio qualcosa di utile ed ecosostenibile. Perché allora questi materiali non hanno ancora completamente sostituito la plastica che invece costituisce una minaccia? I motivi sono molteplici. Per i biopolimeri è necessaria una maggiore lavorazione e quindi un maggior dispendio economico. Non hanno una lunga resistenza nel tempo, per cui non possono essere utili all’applicazione in campi come quello dell’edilizia e del trasporto. Non ci sono abbastanza dati che ci forniscano informazioni circa la loro presenza nell’ambiente, a lungo termine.

La comunità microbica dei ruminanti: una recente scoperta può dare la soluzione

A proposito del deficit di dati riguardanti la degradazione dei biopolimeri nell’ambiente e quindi della loro resistenza temporale, un recente studio ha portato alla luce una possibile soluzione. Lo studio risale allo scorso 2 Luglio ed è stato portato avanti dal gruppo di ricerca dell’Università di Innsbruck, guidato da Felice Quartinello. In tal caso è emerso che nella comunità microbica dei ruminanti alcuni microorganismi rilasciano enzimi degradanti i biopolimeri. Più precisamente il team ha scoperto il rilascio di enzimi, quali idrolasi, lipasi ed esterasi da parte di un vasto gruppo di generi batterici. Tra questi, il genere batterico riscontrato come più abbondante è Pseudomonas. Questi tipi di microorganismi sono stati ritrovati essere già utili a scopi simili, grazie ad altri studi. Quindi questa è una conferma della loro importanza.

Il tipo di enzimi che rilasciano sono implicati nella rottura dei legami che costituiscono i biopolimeri e quindi nella loro riduzione in molecole più semplici. I materiali che, nello specifico, sono stati analizzati per la loro degradazione sono il polibutirrato (PBAT) e il polietilene furanoato (PEF). Il primo è un copolimero costituito da due unità, una alifatica ed una aromatica. Grazie alle sue proprietà, il PBAT viene spesso utilizzato come packaging di diversi prodotti e come costituente delle buste di plastica compostabili. Il secondo, invece, deriva dall’acido 2,5- furandicarbossilico e pare avere proprietà molto simili al PET. Questo potrebbe farci pensare ad una possibile sostituzione del PET con un biopolimero che può essere più facilmente degradato. Ciò aiuterebbe a ridurre i danni ambientali.

Futuri studi potrebbero approfondire, quindi, il ruolo della comunità microbica dei ruminanti e il lavoro di sinergia nella degradazione dei biopolimeri determinato dagli enzimi da questi rilasciati.

Fonti

  • Quartinello F, Kremser K, Schoen H, Tesei D, Ploszczanski L, Nagler M, Podmirseg SM, Insam H, Piñar G, Sterflingler K, Ribitsch D and Guebitz GM (2021) Together Is Better: The Rumen Microbial Community as Biological Toolbox for Degradation of Synthetic Polyesters. Front. Bioeng. Biotechnol. 9:684459.
  • Xuyuan Zhang, Yong Li, Dan Ouyang, Junjie Lei, Qianlong Tan, Lingli Xie, Ziqian Li, Ting Liu, Yunmu Xiao, Taimoor Hassan Farooq, Xiaohong Wu, Liang Chen, Wende Yan, Systematical review of interactions between microplastics and microorganisms in the soil environment, Journal of Hazardous Materials, Volume 418, 2021,126288
  • Avio CG, Gorbi S, Regoli F. Plastics and microplastics in the oceans: From emerging pollutants to emerged threat. Mar Environ Res. 2017; 128:2-11.
Crediti delle immagini
  • https://www.flickr.com/photos/paolomargari/2469760871
  • http://www.incopack.it
  • https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_herd_of_40_wild_elephants_at_Ampara_in_east_Sri_Lanka_is_totally_dependent_on_garbage_from_tractors_DSC-4.jpg

Rispondi

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: