จุลินทรีย์ส่วนใหญ่มีบทบาทเป็นผู้ย่อยสลายสารอินทรีย์ชนิดต่าง ๆ เช่น ซากพืช ซากสัตว์ที่อยู่ในธรรมชาติ ในขณะเดียวกันยังมีสารประกอบอีกหลายชนิดที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้น ซึ่งมักจะเป็นสารที่ก่อให้เกิดมลพิษหรือสารที่ย่อยสลายได้ยาก โดยจุลินทรีย์ทั่ว ๆ ไปในธรรมชาติทำให้สารประกอบเหล่านี้ ตกค้างอยู่ในสิ่งแวดล้อมเป็นจำนวนมาก และหนึ่งในสารประกอบที่มนุษย์สร้างขึ้น ซึ่งเป็นปัญหากับสิ่งแวดล้อมในเกือบทุกประเทศทั่วโลกคือ พลาสติก

จุลินทรีย์กับพลาสติก

   พลาสติกมีหลากหลายชนิด สามารถนำไปผลิตเป็นวัสดุต่าง ๆ ได้หลากหลาย แต่พลาสติกชนิดที่มีการใช้งานกันมากคือพลาสติกที่ใช้ในงานด้านการบรรจุภัณฑ์  เช่น ถุงพลาสติก ขวดบรรจุเครื่องดื่ม กล่องบรรจุอาหาร พลาสติกชนิดนี้เป็นพลาสติกที่ผลิตขึ้นจากพอลิเมอร์ สังเคราะห์  ที่เรียกว่า พอลิเอทิลีน (polyethylene : PE) เมื่อสังคมมนุษย์มีการพัฒนาด้านต่าง ๆ เจริญก้าวหน้าไปมาก พอลิเอทิลีนจึงถูกนำมาใช้ เพื่อผลิตเป็นพลาสติกมากขึ้นเรื่อย ๆ จนเกิดเป็นปัญหาตามมาคือ ไม่สามารถกำจัดพลาสติกที่ถูกนำไปใช้ประโยชน์แล้วเหล่านี้ได้ ปริมาณขยะพลาสติกล้นเมืองการแก้ปัญหามักจะทำโดยการฝังกลบในดินทำให้เกิดปัญหาระบบนิเวศขึ้น เพราะเมื่อพลาสติกเหล่านี้ปนเปื้อนอยู่ในดินจะต้องใช้เวลาตั้งแต่ 20 ปี ไปจนถึง 1,000 ปี กว่าจะเริ่มมีการย่อยสลายขึ้นเองตามธรรมชาติ

   แนวทางในการที่จะแก้ปัญหาขยะพลาสติกที่ปนเปื้อนอยู่ในสิ่งแวดล้อม อาจทำได้ 2 แนวทางคือ แนวทางแรก หาจุลินทรีย์จากแหล่งต่าง ๆ ในธรรมชาติที่มีความสามารถในการย่อยสลายพลาสติกที่ผลิตจากพอลิเอทิลีน แนวทางที่ 2 พัฒนาพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่สามารถเกิดการย่อยสลายโดยวิธีการทางชีวภาพ หรือพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่สามารถเกิดการย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ทั่ว ๆ ไป ที่มีอยู่ในแหล่งดินและแหล่งน้ำได้

จุลินทรีย์ย่อยสลายพลาสติกได้อย่างไร

   จุลินทรีย์ทั้งแบคทีเรีย รา และแอกทิโนไมซิส สามารถย่อยสลายพลาสติกที่ผลิตจากพอลิเอทิลีนได้ โดยอาศัยเอนไซม์ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการสลายสายของพอลิเมอร์ ให้กลายเป็นโอลิโกเมอร์ (oligomer) หรือมอนอเมอร์ (monomer) ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการสลายสสารภายในเซลล์ของจุลินทรีย์  ซึ่งถ้าเป็นการสลายสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน จะได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย ในขณะที่การสลายสสารแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์  น้ำ และยังได้ก๊าซมีเทนกลับเข้าสู่สิ่งแวดล้อมอีกด้วย การย่อยสลายพลาสติกโดยจุลินทรีย์ถือเป็นการย่อยสลายที่สมบูรณ์  เพราะไม่มีผลิตภัณฑ์ที่เป็นพิษตกค้างในสิ่งแวดล้อม ซึ่งแตกต่างจากพลาสติกที่เกิดการย่อยสลายได้เองจากแสงหรือความร้อน ซึ่งยังเหลือผลิตภัณฑ์ชนิดอื่น ๆ ที่ไม่สามารถย่อยสลายต่อไปได้และตกค้างอยู่ในสิ่งแวดล้อม

   นักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะค้นหาเชื้อจุลินทรีย์ที่มีความสามารถในการย่อยสลายพอลิเอทิลีน โดยคาดหวังว่าจุลินทรีย์ที่หาได้นั้น จะช่วยแก้ปัญหาเรื่องการกำจัดขยะพลาสติก ความสนใจและตื่นตัวในการหาจุลินทรีย์ย่อยสลายพอลิเอทิลีนยิ่งมีมากขึ้น เมื่อนาย Daniel Burd นักเรียนระดับมัธยมศึกษาตอนปลายจากประเทศแคนาดา ได้รับรางวัลระดับโลกหลายรางวัลในปี พ.ศ. 2551 จากการค้นพบแบคทีเรียที่สามารถย่อยสลายพอลิเอทิลีนได้

   Daniel ตั้งสมมุติฐานการทดลองว่า “ถ้ามีจุลินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายพอลิเอทิลีนอยู่ในธรรมชาติ จะต้องสามารถแยกเชื้อจุลินทรีย์ดังกล่าว และใช้จุลินทรีย์ที่แยกได้นี้ในการย่อยสลายถุงพลาสติกที่ผลิตจากพอลิเอทิลีนได้” Daniel ได้ทำการทดลองแยกจุลินทรีย์ที่ย่อยสลายพลาสติก โดยใช้ผงพอลิเอทิลีน (PE Powder) ผสมลงในอาหารเลี้ยงเชื้อ สูตรอาหารนี้ใช้แยกและเพิ่มจำนวนจุลินทรีย์ที่ย่อยสลายโพลิเอทิลีนได้เท่านั้น เนื่องจากมีผงพอลิเอทิลีนนี้เป็นแหล่งคาร์บอนเพียงแหล่งเดียว จุลินทรีย์ชนิดอื่น ๆ ที่ไม่สามารถย่อยสลายผงพอลิเอทิลีน ก็ไม่สามารถเจริญได้

   Daniel ใช้ดินจากแหล่งที่มีการทิ้งขยะประเภทพลาสติก ใส่ลงในอาหารเลี้ยงเชื้อดังกล่าว นำไปบ่มบนเครื่องเขย่าเพื่อเพิ่มปริมาณออกซิเจนที่อุณหภูมิห้องเป็นระยะเวลา 4 สัปดาห์  จากนั้นถ่ายของเหลวลงในอาหารเลี้ยงเชื้อใหม่ชนิดเดิม ทำเช่นเดียวกันนี้จนครบ 3 ครั้ง จากนั้นนำส่วนผสมของอาหารเลี้ยงเชื้อที่ทำการทดลองครั้งสุดท้ายมากรองเอาเฉพาะส่วนน้ำใส ซึ่งคาดว่าน่าจะมีจุลินทรีย์ที่ย่อยสลายผงพอลิเอทิลีนได้เจริญอยู่

   ทดสอบหาจุลินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายพลาสติกได้ โดยใส่ของเหลวที่ได้จากการกรองรวมกับแผ่นฟิล์มพอลิเอทิลีนที่ชั่งน้ำหนักไว้แล้ว ลงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่ไม่มีแหล่งคาร์บอนอื่น ๆ นำไปบ่มโดยการเขย่าที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 6 สัปดาห์  และทำชุดควบคุมโดยการต้มของเหลวที่ได้จากการกรองในปริมาตรที่เท่ากัน ใส่ลงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีแผ่นฟิล์มเช่นเดียวกับการทดลองปกติ เมื่อทำการทดลองครบ 6 สัปดาห์  นำแผ่นฟิล์มมาชั่งน้ำหนัก เพื่อหาน้ำหนักแห้งที่หายไป

   จากการทดลองดังกล่าวพบว่า น้ำหนักแห้งของแผ่นฟิล์มที่อยู่ในภาชนะที่มีของเหลวจากการกรองที่ไม่ได้ผ่านการต้มลดลง ในขณะที่น้ำหนักแห้งของแผ่นฟิล์มที่อยู่ในภาชนะที่มีของเหลวจากการกรองที่ผ่านการต้มไม่มีการเปลี่ยนแปลง เมื่อนำของเหลวที่ได้จากการกรองมาตรวจสอบหาเชื้อจุลินทรีย์  พบว่าเป็นแบคทีเรีย 2 สกุล คือ Pseudomonas และ Sphingomonas นอกจากนี้ เมื่อทดลองใช้แบคทีเรีย 2 สกุลนี้ร่วมกัน จะพบว่าประสิทธิภาพในการย่อยสลายพอลิเอทิลีนดีมากขึ้นอีกด้วย

   Daniel คาดหวังว่างานที่ได้จากการทำโครงงานวิทยาศาสตร์ จะสามารถนำไปต่อยอดการวิจัยในระดับอุตสาหกรรม เพื่อช่วยลดปัญหามลภาวะที่เกิดจากการทิ้งขยะพลาสติกเหล่านี้ สู่สิ่งแวดล้อมได้

   นอกจากแนวทางแรก ที่พยายามหาจุลินทรีย์ที่นำมาใช้ในการย่อยสลายพลาสติกดังที่กล่าวไปแล้วนั้น อีกแนวทางหนึ่งคือการผลิตพลาสติกชีวภาพ

พลาสติกชีวภาพกับจุลินทรีย์

   พอลิเมอร์สังเคราะห์ที่เรียกว่า biodegradable polyester ถูกนำมาใช้ในการผลิตพลาสติกที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างจากพลาสติกทั่ว ๆ ไป ที่ผลิตจากพอลิเอทิลีน พลาสติกที่ผลิตจากพอลิเมอร์เหล่านี้เรียกว่า พลาสติกชีวภาพชนิดที่สลายตัวได้ทางชีวภาพ (biodegradable plastic) เมื่อพลาสติกชนิดนี้ปนเปื้อนอยู่ในสิ่งแวดล้อม จะถูกย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ประจำถิ่นชนิดต่าง ๆ ที่อยู่ในสภาพแวดล้อมนั้น ๆ ได้ โดยอาศัยแหล่งอาหารและแหล่งพลังงานที่ได้จากการย่อยสลายพลาสติกชนิดนี้ แต่สิ่งที่อาจต้องคำนึงคือสารต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นจากการย่อยสลายพลาสติก หรือระหว่างที่เกิดการย่อยโดยจุลินทรีย์ในธรรมชาติจะต้องไม่เป็นสารที่ก่อให้เกิดมลพิษกับสิ่งแวดล้อม และปลอดภัยต่อสิ่งมีชีวิตที่อยู่ในบริเวณนั้น ๆ ด้วย

บรรจุภัณฑ์ที่ผลิตจาก biodegradable plastic

PHAs ภายในเซลล์ของ ralstonia eutrophus
ที่มา: http://www.ecobiomaterial.com/galleryphp?gazpart=view&gazimage=67

   พลาสติกชีวภาพชนิดที่สลายตัวได้ทางชีวภาพ ที่ย่อยสลายได้สมบูรณ์โดยจุลินทรีย์  ผลิตได้จากพอลิเมอร์ที่เป็น aliphatic polyesters ซึ่งมีหลากหลายกลุ่ม เช่น polylactides หรือ polylacticacid (PLA) polybulyene succinate (PBS) และ polyhydroxyalkanoates(PHAs)  เป็นต้น aliphatic polyesters เหล่านี้ สามารถผลิตได้จากหลายวิธีการด้วยกัน เช่น การผลิต PLA โดยใช้แป้งจากพืชมาผ่านกระบวนการเปลี่ยนเซลลูโลสในพืช ให้เป็นพอลิแซ็กคาไรด์ จากนั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงต่อไปเป็นกรดแลกติกและสุดท้ายจึงได้เป็น PLA การผลิต PBS ซึ่งได้จากการสังเคราะห์ทางปิโตรเคมีโดยใช้สารประกอบที่เป็นกรด 2 ชนิดมาทำปฏิกิริยากับสารประกอบที่เป็นแอลกอฮอล์ 2 ชนิด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังค้นพบว่ามีแบคทีเรียบางชนิดสามารถผลิต PHAs ได้ จึงมีแนวคิดที่จะใช้เทคโนโลยีทางชีวภาพในการผลิต PHAs จากแบคทีเรีย เพื่อนำมาใช้ทดแทนพลาสติกชนิดต่าง ๆ ที่ไม่สามารถย่อยสลายได้

   PHAs ถูกสร้างเป็นแหล่งพลังงานสะสมในเซลล์ของแบคทีเรียบางชนิด การสร้าง PHAs จะเกิดขึ้นเมื่อแหล่งอาหาร เช่น ไนโตรเจนหรือฟอสฟอรัสขาดแคลน ในขณะที่มีแหล่งคาร์บอนอื่น ๆ อยู่มากเกินความจำเป็น เมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์ตรวจดูที่เซลล์ของแบคทีเรียจะเห็น PHAs เป็นแกรนูล ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.2 - 0.5 ไมโครเมตร กระจายอยู่ทั่วไปในไซโทพลาซึม

   จากงานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์พบว่า มีแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในดินประมาณ 30 %  ที่สามารถผลิต PHAs ได้ แต่มีเพียงแบคทีเรียบางชนิดเท่านั้นที่ถูกนำมาใช้ในงานวิจัยเพื่อศึกษาและพัฒนาวิธีการในการเพิ่มปริมาณการสร้าง PHAs ในเซลล์ของแบคทีเรียตัวอย่างเช่น Ralstonia eutrophus เป็นแบคทีเรียที่มีการศึกษากันมากเนื่องจากสามารถผลิต PHAs จากแหล่งคาร์บอนที่มีอยู่ทั่ว ๆ ไปได้เช่น กลูโคส กรดแลกติก กรดแอซีติก หรือน้ำมันจากพืชชนิดต่าง ๆ หรือ Methylobacterium sp. ที่สามารถใช้แหล่งคาร์บอนอย่างมีเทนซึ่งมีราคาต่ำมาใช้ในการสังเคราะห์  PHAs ได้ เป็นต้น

   ในช่วง 10 กว่าปีที่ผ่านมา PHAs ถูกนำมาศึกษา วิจัยและพัฒนาอย่างรวดเร็ว นักวิทยาศาสตร์หวังว่านอกเหนือจากการผลิต พลาสติกชีวภาพชนิดที่สลายตัวได้ทางชีวภาพ ที่ใช้ในอุตสาหกรรมด้านบรรจุภัณฑ์แล้วยังจะสามารถนำ PHAs ไปใช้ประโยชน์กับงานด้านต่าง ๆ ในด้านอุตสาหกรรมอาหาร การแพทย์และเภสัชกรรม รวมทั้งเชื้อเพลิงชีวภาพอีกด้วย

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 41 ฉบับที่ 182 พฤษภาคม - มิถุนายน 2556

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Biodegradable plastic : เมื่อพลาสติกเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม. สืบค้นเมื่อ 20 ธันวาคม 2555, จาก http ://www.vcharkarn.com/varticle/38208

Burd, Daniel. (2008). Plastic not fantastic. Retrieved December 20, 2012, from https://www.wiki.duke.edu/download/attachments/10715770/08BurdReport.pdf

Yuksel, O., Jasna, H. & Hanife, B. (2004). Biodegradation of plastic compost bags under controlled soil conditions. Acta Chimica Slovenica., 51, 579-588.

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ. พลาสติกย่อยสลายได้ : เทคโนโลยีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อการพัฒนาที่ยั่งยืน. สืบค้นเมื่อ 13 ธันวาคม 2555,จาก http ://www2.mtec.or.th/th/special/biodegradable_plastic/index.html

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