จุลินทรีย์กับพลาสติก

 

ธีรพัฒน์ เวชชประสิทธิ์ นักวิชาการ สาขาชีววิทยา

            จุลินทรีย์ส่วนใหญ่มีบทบาทเป็นผู้ย่อยสลายสารอินทรีย์ชนิดต่างๆ เช่น ซากพืช ซากสัตว์ ที่อยู่ในธรรมชาติ ในขณะเดียวกันยังมีสารประกอบอีกหลายชนิดที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้น ซึ่งมักจะเป็นสารที่ก่อให้เกิดมลพิษหรือสารที่ย่อยสลายได้ยากโดยจุลินทรีย์ทั่วๆ ไปในธรรมชาติ ทำให้สารประกอบเหล่านี้ตกค้างอยู่ในสิ่งแวดล้อมเป็นจำนวนมาก และหนึ่งในสารประกอบที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งเป็นปัญหากับสิ่งแวดล้อมในเกือบทุกประเทศทั่วโลกก็ คือ พลาสติก

            พลาสติกมีหลากหลายชนิด สามารถนำไปผลิตเป็นวัสดุต่างๆ ได้หลากหลาย แต่พลาสติกชนิดที่มีการใช้งานกันมากคือพลาสติกที่ใช้ในงานด้านการบรรจุภัณฑ์ เช่น ถุงพลาสติก ขวดบรรจุเครื่องดื่ม กล่องบรรจุอาหาร พลาสติกชนิดนี้เป็นพลาสติกที่ผลิตขึ้นจากพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่เรียกว่า พอลิเอธิลีน (polyethylene; PE) เมื่อสังคมมนุษย์มีการพัฒนาด้านต่างๆ เจริญก้าวหน้าไปมาก พอลิเอธิลีนจึงถูกนำมาใช้เพื่อผลิตเป็นพลาสติกมากขึ้นเรื่อยๆ จนเกิดเป็นปัญหาตามมาคือ ไม่สามารถกำจัดพลาสติกที่ถูกนำไปใช้ประโยชน์แล้วเหล่านี้ได้ ปริมาณขยะพลาสติกล้นเมือง การแก้ปัญหามักจะทำโดยการฝังกลบในดินทำให้เกิดปัญหากับระบบนิเวศขึ้น  เพราะเมื่อพลาสติกเหล่านี้ปนเปื้อนอยู่ในดินจะต้องใช้เวลาตั้งแต่ 20 ปี ไปจนถึงเป็น 1000 ปี กว่าจะเริ่มมีการย่อยสลายขึ้นเองตามธรรมชาติ

 

 

 

             แนวทางในการที่จะแก้ปัญหาขยะพลาสติกที่ปนเปื้อนอยู่ในสิ่งแวดล้อมอาจทำได้ใน 2 แนวทางคือ แนวทางแรก หาจุลินทรีย์จากแหล่งต่างๆ ในธรรมชาติที่มีความสามารถในการย่อยสลายพลาสติกที่ผลิตจากพอลิเอธิลีน แนวทางที่ 2 พัฒนาพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่สามารถเกิดการย่อยสลายโดยวิธีการทางชีวภาพหรือพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่สามารถเกิดการย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ทั่วๆไปที่มีอยู่ในแหล่งดินและแหล่งน้ำได้

จุลินทรีย์ย่อยสลายพลาสติกได้อย่างไร 

            จุลินทรีย์ทั้งแบคทีเรีย รา และแอคติโนมัยซิส สามารถย่อยสลายพลาสติกที่ผลิตจากพอลิเอธิลีนได้โดยอาศัยเอนไซม์ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการสลายสายของพอลิเมอร์ให้กลายเป็นโอลีโกเมอร์ (oligomer) หรือโมโนเมอร์ (monomer) ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการสลายสารอาหารภายในเซลล์ของจุลินทรีย์ ซึ่งถ้าเป็นการสลายสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน จะได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย ในขณะที่การสลายสารอาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจน จะได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และยังได้ก๊าซมีเทนกลับเข้าสู่สิ่งแวดล้อมอีกด้วย การย่อยสลายพลาสติกโดยจุลินทรีย์ถือเป็นการย่อยสลายที่สมบูรณ์เพราะไม่มีผลิตภัณฑ์ที่เป็นพิษตกค้างในสิ่งแวดล้อม ซึ่งแตกต่างจากพลาสติกที่เกิดการย่อยสลายได้เองจาก แสง หรือความร้อน ซึ่งยังเหลือผลิตภัณฑ์ชนิดอื่นๆ ที่ไม่สามารถย่อยสลายต่อไปได้ตกค้างอยู่ในสิ่งแวดล้อม 

            นักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะค้นหาเชื้อจุลินทรีย์ที่มีความสามารถในการย่อยสลายพอลิเอธิลีน โดยคาดหวังว่าจุลินทรีย์ที่หาได้นั้นจะช่วยแก้ปัญหาเรื่องการกำจัดขยะพลาสติก ความสนใจและตื่นตัวในการหาจุลินทรีย์ย่อยสลายพอลิเอธิลีนยิ่งมีมากขึ้นเมื่อนาย Daniel Burd นักเรียนระดับมัธยมศึกษาตอนปลายจากประเทศแคนาดา ได้รับรางวัลระดับโลกหลายรางวัลในปี พ.ศ. 2551 จากการค้นพบแบคทีเรียที่สามารถย่อยสลายพอลิเอธิลีนได้

            Daniel ตั้งสมมติฐานการทดลองว่า “ถ้ามีจุลินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายพอลิเอธิลีนอยู่ในธรรมชาติ จะต้องสามารถแยกเชื้อจุลินทรีย์ดังกล่าว และใช้จุลินทรีย์ที่แยกได้นี้ในการย่อยสลายถุงพลาสติกที่ผลิตจากพอลิเอธิลีนได้” Daniel แยกเชื้อจุลินทรีย์จากแหล่งที่มีการทิ้งขยะประเภทพลาสติก โดยสามารถแยกเชื้อแบคทีเรียที่สามารถย่อยพอลิเอธิลีนได้ 2 สกุลคือ Pseudomonas  และ Sphingomonas  ซึ่งถ้าใช้แบคทีเรีย 2 สกุลนี้ร่วมกันจะพบว่าประสิทธิภาพในการย่อยสลายพอลิเอธิลีนดีมากขึ้น Daniel คาดหวังว่างานที่ได้จากการทำโครงงานวิทยาศาสตร์จะสามารถนำไปต่อยอดการวิจัยในระดับอุตสาหกรรมเพื่อช่วยลดปัญหามลภาวะที่เกิดจากทิ้งขยะพลาสติกเหล่านี้สู่สิ่งแวดล้อมได้         

            นอกจากแนวทางแรกที่พยายามหาจุลินทรีย์ที่นำมาใช้ในการย่อยสลายพลาสติกดังที่กล่าวไปแล้วนั้น อีกแนวทางหนึ่งคือการผลิตพลาสติกชีวภาพ

พลาสติกชีวภาพกับจุลินทรีย์

            พอลิเมอร์สังเคราะที่เรียกว่า biodegradable polyester ถูกนำมาใช้ในการผลิตพลาสติกที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างจากพลาสติกทั่วๆ ไป ที่ผลิตจากพอลิเอธิลีน พลาสติกที่ผลิตจากพอลิเมอร์เหล่านี้ เรียกว่า พลาสติกชีวภาพชนิดที่สลายตัวได้ทางชีวภาพ(biodegradable plastic)เมื่อพลาสติกชนิดนี้ปนเปื้อนอยู่ในสิ่งแวดล้อมจะถูกย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ประจำถิ่นชนิดต่างๆ ที่อยู่ในสภาพแวดล้อมนั้นๆ ได้ โดยอาศัยแหล่งอาหารและแหล่งพลังงานที่ได้จากการย่อยสลายพลาสติกชนิดนี้ แต่สิ่งที่อาจต้องคำนึงคือ สารต่างๆที่เกิดขึ้นจากการย่อยสลายพลาสติกหรือระหว่างที่เกิดการย่อยโดยจุลินทรีย์ในธรรมชาติ จะต้องไม่เป็นสารที่ก่อให้เกิดมลพิษกับสิ่งแวดล้อม และปลอดภัยต่อสิ่งมีชีวิตที่อยู่ในบริเวณนั้นๆ ด้วย 

 

 

บรรจุภัณฑ์ที่ผลิตจาก biodegradable plastic

          biodegradable plastic ที่ย่อยสลายได้สมบูรณ์โดยจุลินทรีย์ ผลิตได้จากพอลิเมอร์ที่เป็น aliphatic polyesters ซึ่งมีหลากหลายกลุ่ม เช่น polylactides หรือ polylactic acid (PLA)  polybulyene succinate (PBS) และ polyhydroxyalkanoates (PHAs)  เป็นต้น aliphatic polyesters เหล่านี้สามารถผลิตได้จากหลายวิธีการด้วยกัน เช่น การผลิต PLA โดยใช้แป้งจากพืชมาผ่านกระบวนการเปลี่ยนเซลลูโลสในพืชให้เป็นพอลิแซ็กคาร์ไรด์ จากนั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงต่อไปเป็นกรดแลคติกและสุดท้ายจึงได้เป็น PLA  การผลิต PBS ซึ่งได้จากการสังเคราะห์ทางปิโตรเคมีโดยใช้สารประกอบที่เป็นกรด 2 ชนิดมาทำปฏิกิริยากับสารประกอบที่เป็นแอลกอฮอล์ 2 ชนิด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังค้นพบว่ามีแบคทีเรียบางชนิดสามารถผลิต PHAs ได้ จึงมีแนวคิดที่จะใช้เทคโนโลยีทางชีวภาพในการผลิต PHAs จากแบคทีเรียเพื่อนำมาใช้ทดแทนพลาสติกชนิดต่างๆ ที่ไม่สามารถย่อยสลายได้

          PHAs ถูกสร้างเป็นแหล่งพลังงานสะสมในเซลล์ของแบคทีเรียบางชนิด การสร้าง PHAs จะเกิดขึ้นเมื่อแหล่งอาหารเช่น ไนโตรเจนหรือฟอสฟอรัสขาดแคลน ในขณะที่มีแหล่งคาร์บอนอื่นๆ อยู่มากเกินความจำเป็น เมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์ตรวจดูที่เซลล์ของแบคทีเรียจะเห็น PHAs เป็นแกรนูลขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.2-0.5 ไมโครเมตร กระจายอยู่ทั่วไปในไซโทพลาซึม

 

 

PHAs ภายในเซลล์ของ Ralstonia eutrophus 

ที่มาภาพ : http://www.ecobiomaterial.com/gallery.php?gazpart=view&gazimage=67

           จากงานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์พบว่า มีแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในดินประมาณ 30 % ที่สามารถผลิต PHAs ได้ แต่มีเพียงแบคทีเรียบางชนิดเท่านั้นที่ถูกนำมาใช้ในงานวิจัยเพื่อศึกษาและพัฒนาวิธีการในการเพิ่มปริมาณการสร้าง PHAs ในเซลล์ของแบคทีเรีย ตัวอย่างเช่น Ralstonia eutrophus เป็นแบคทีเรียที่มีการศึกษากันมาก เนื่องจากสามารถผลิต PHA จากแหล่งคาร์บอนที่มีอยู่ทั่วๆ ไปได้ เช่น กลูโคส กรดแลคติก กรดแอซิติก หรือน้ำมันจากพืชชนิดต่างๆ หรือMethylobacterium sp. ที่สามารถใช้แหล่งคาร์บอนอย่างมีเทนซึ่งมีราคาต่ำมาใช้ในการสังเคราะห์ PHAs ได้ เป็นต้น

          ในช่วง 10 กว่าปีที่ผ่านมา PHAs ถูกนำมาศึกษา วิจัยและพัฒนาอย่างรวดเร็ว นักวิทยาศาสตร์หวังว่านอกเหนือจากการผลิต biodegradable plastic ที่ใช้ในอุตสาหกรรมด้านบรรจุภัณฑ์แล้ว ยังจะสามารถนำ PHAs ไปใช้ประโยชน์กับงานด้านต่างๆ เช่น ด้านอุตสาหกรรมอาหาร การแพทย์และเภสัชกรรม รวมทั้งเชื้อเพลิงชีวภาพอีกด้วย

 

เอกสารอ้างอิง  

1. สำนักงานนวัตกรรมแห่งชาติ (องค์การมหาชน). กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. แผนที่นำทางแห่งชาติ การพัฒนาอุตสาหกรรมพลาสติกชีวภาพ ระยะที่ 2 (พ.ศ.2554-2558)

2.พาสติกย่อยสลายได้ : เทคโนโลยีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อการพัฒนาที่ยั่งยืนhttp://www2.mtec.or.th/th/special/biodegradable_plastic/index.html  retrieved 13 ธ.ค. 55

3.Biodegradable plastic : เมื่อพลาสติกเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม http://www.vcharkarn.com/varticle/38208 retrieved 20 ธ.ค. 55

4. Yuksel, O., Jasna, H. and Hanife, B. Biodegradation of plastic compost bags under controlled soil conditions. Acta Chim. Slov. vol. 51. 579-588. 2004.