Polietilen tereftalat (PET) dünya üzerinde astronomik miktardaki üretimiyle en büyük petro-plastik ürün olarak en önde gelenlerden biridir. Özellikle PET’lerin oluşturduğu plastik kirliliği, önümüzdeki süreçte küresel anlamda en büyük problemlerden biri olacaktır. Düşük fiyatı, olağanüstü dayanıklılığı, sıvılara ve gazlara karşı direnci onu tek kullanımlık meşrubat şişeleri, kap, tekstil elyafı ve ambalaj üretimi gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılmak için en ideal seçenek haline getirmiştir. PET‘in en büyük avantajlarından biri, içerdiği tereftalik asit (TPA) parçasının hidrofobikliği nedeniyle kimyasal inertliğidir, bu da onu çevresel bozulmaya dirençli hale getirir. Ancak, çok yönlü kullanılabilirliği açısından modern dünyanın en önemli malzemesi olup oldukça yüksek oranda endüstride tercih edilen bu polimerler doğayı ve canlı yaşamını çoktan tehdit etmeye başladı bile.
PET çoğunlukla ısıl işlemlerle geri dönüştürülmektedir, ancak bu işlemler polimer yapısının bozulmasına ve içecek şişeleri için gerekli bazı mekanik özelliklerin kaybolmasına neden olmaktadır. Alternatif olarak, PET endüstride, ısı ve elektrik üretiminde kullanılan yakıtları elde etmek için piroliz ve gazlaştırma yoluyla de polimerize edilmektedir. Bu işlemler ucuzdur ve yüksek kâr marjı sağlar, ancak ağır kirlilik ve sera gazı oluşumuna katkısı çevre için handikaplı bir durum yaratmaktadır. Buna rağmen plastik kirliliğine çözüm için kullanılan bir numaralı yöntem yakmaktır. Bunun sonucunda atmosfere çeşitli kimyasal ve birçoğu toksik düzeyde olan bileşen salınımları gerçekleşmektedir, bu salınımda en tehlikeli olan grup ise uçucu organik bileşiklerdir.
Minnesota Pollution Control Agency’nin yaptığı çalışmalar sonucu ortaya çıkan verilere göre; bu uçucu organik bileşikler neredeyse yaşayan her bir organizmayı etkilemektedir. Diğer bir etkisi ise atmosferde nitrojen oksit (NO) ile etkileşimi sonucu Ozon seviyesini artırmasıdır. Bahsedilen etki, günümüzde insanlığı tehdit eden en önemli sorunlardan biri olan küresel ısınmayı olumsuz yönde artıran bir rol oynamaktadır.
Dünyadaki yaklaşık 54,6 milyar ton CO2eq salınımından, plastikler küresel emisyonların yaklaşık %3,3'ünden sorumludur. Bugüne kadar üretilmiş plastiklerin, kamuoyunda belirtilen geri dönüşüm hareketlerine ve alınan eylem planlarına rağmen sadece ve sadece yaklaşık %9’u geri dönüşüm işleminden geçmiştir ve bu %9’luk kısmın da sadece %10’u birden fazla geri dönüşüme uğramıştır. Yani bahsedilen tüm plastik geri dönüşümü aslında sadece %0,9’luk bir orandan ibarettir. Bu da göstermektedir ki bilinen ve kabul edilenin aksine aslında büyük bir geri dönüşüm yalanıyla yaşıyoruz.
Dünyada her yıl yaklaşık olarak 350 milyon ton plastik atık ortaya çıkmaktadır. Tahminler değişkenlik göstermekle birlikte, son zamanlarda yapılan kapsamlı çalışmalar yılda 1 ila 2 milyon ton arasında plastiğin okyanuslara karıştığını göstermektedir. Bu da plastik atıkların %0,5'inin okyanusa karıştığı anlamına geliyor.
Endüstriyel olarak üretilen plastiklerin sayısal anlamda neredeyse hiçbiri anlamlı bir şekilde biyolojik olarak parçalanmamaktadır, ancak güneşin yaydığı ışınlar bu malzemeleri zayıflatarak milimetre veya mikrometre boyutuna ulaştığı bilinen parçacıklara bölünmesine neden olmaktadır. Bu da ortaya “mikroplastikleri” çıkarmıştır.
Deniz ve tatlı su ortamlarındaki mikro plastiklerin, çevresel etkilerine ilişkin araştırmalar son yıllarda gittikçe hız kazanmaktadır ancak plastik atıkların karasal ekosistemlerdeki etkileri hakkında çok az şey bilinmektedir. Son araştırmalar mikroplastik (1 μm-5 mm) kirliliğinin deniz canlılarının yaşamlarını tehdit edebileceğini ve davranış bozukluklarına yol açan oksidatif stres ve nörotoksik etkilere neden olabileceğini göstermektedir. Her ne kadar kesin bir sayı söylemek oldukça zor olsa da her yıl yüz binlerce okyanus memelisinin plastiklerden dolayı öldüğü tahmin edilmektedir. İnsanlarda ise mikroplastik kirliliği; hücre toksisitesi, kanser ve nörolojik bozuklukların yanı sıra birçok sistemi tehdit etmektedir. Kısaca plastikler, mikro ve nano boyuttaki formlarıyla besin zincirine girerek suda yaşayan canlılarda ve dolaylı olarak biz insanlarda ciddi sağlık sorunlarına neden olmaktadır. Plastiğin polimer formundan dolayı bahsi geçen tüm negatif etkilere karşı biyolojik sistemler kullanılarak sürdürülebilir bir biyodegradasyon mekanizması oluşturmak yakın gelecekte insanoğluna büyük bir çözüm umudu vermektedir.
Mikroplastiklerin biyodegradasyon mekanizması; mikroorganizma tarafından hücre dışı enzimlerin salgılanması, enzimin plastik yüzeyine bağlanması, kısa polimer ara ürünlerine hidrolizi ve sonuçta CO2 salınımı için karbon kaynağı olarak mikrobiyal hücreler tarafından asimile edilme basamaklarını içerir. PET kimyasal olarak inert bir karaktere sahip olduğu için mikrobiyal olarak degradasyona karşı oldukça dirençlidir. Ancak plastikler inorganik kimyasalları temsil etmesine rağmen, son yıllarda bu polimerleri metabolize etme gücüne sahip birçok mikroorganizma tanımlanmıştır.
2016’da Kyoto Teknoloji Enstitüsü'nden ve Keio Üniversitesi'nden araştırmacı ekipler tarafından Japonya'nın Sakai şehrinde bulunan bir plastik geri dönüşüm tesisinde plastik ile kirlenmiş tortu örneği izole edilip incelendikten sonra gram negatif bir tür olan Ideonella Sakaiensis bakterisi keşfedildi. Bakterinin gram negatif olması, dış zar yapısı nedeniyle antibiyotiklere karşı doğal bir direnç sağlamaktadır. Bu da bakteri üzerinde yapılan biyoteknolojik uygulamalarda dayanıklılık açısından bir avantaj oluşturmaktadır. Ideonella Sakaiensis bakterisinin sahip olduğu cutinase-like PETaz enzimi ve ardından gelen MHETaz enzimleri, polimer yapıya sahip PET’i iki adımda degradasyona uğratarak TPA ve etilen glikol (EG) gibi monomerlere dönüştürme yeteneğine sahiptir.
Ideonella sakaiensis, PET’i yapı taşlarına ayırmak için iki α/β-hidrolaz kat enzimi olan PETaz ve MHETaz'ı kullanır; bu enzimler PET'i MHET aracılığıyla parçalayarak TPA ve EG monomerlerini açığa çıkarır. PET için benzer degradasyon enzimleri farklı organizmalarda da gözlemlenmiştir ancak bunlar IsPETaz kadar verimli değildir. Protein mühendisliği mekanizmalarıyla enzim aktivitesini arttırmak amacıyla IsPETaz ve farklı homolog enzim yapıları üzerine çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Moleküler yerleştirme ve moleküler dinamik (MD) simülasyonları, üç farklı tek nokta mutasyonunun vahşi tip (WT) enzime kıyasla PET bağlanmasını iyileştirdiğini göstermiştir. Yine de IsPETaz degradasyonu, geri dönüşüm endüstrisinde kullanılmak için hala yeterli değildir. PET kirliliğinin biyolojik olarak degradasyonu, içecek şişelerinin üretiminde kullanılan yüksek oranda kristalize PET'in yapısına enzim erişiminin zayıf olması nedeniyle büyük bir zorluk içermektedir. Ancak yine de bu bakteri sahip olduğu özellikleri neticesinde, dünyadaki plastik kirliliğine karşı verilecek olan savaşta stratejik bir biyo-çözüm anahtarı olabilme potansiyeli taşımaktadır.
PET sentezi için gerekli yapı taşları olan TPA ve etilen glikol, biyokimyasal olarak endüstride farklı şekillerde kullanılabilir. Buna örnek verilecek olursa; araştırmacılar Escherichia coli'yi Ideonella Sakaiensis tarafından gerçekleştirilen biyodegradasyonun ürünleri olan monomerleri vanilin üretecek şekilde tasarladılar. Bu da bize mikroplastik çöpün, mikrobiyal hücreler tarafından daha fazla plastiğe dönüştürülmesi yerine daha faydalı bir ürüne dönüştürülmesi için bir kaynak olarak kullanılabileceğini gösterdi. Mikroplastik degradasyonu sonucu ortaya çıkan bu son ürünler, E.coli örneğindeki gibi farklı genetik mühendislikler ve biyokimyasal yaklaşımlarla gelecekte sürdürülebilir bir kullanım kazanabilir.
