Galleria melonella lepidoptera larva su plastica

I vermi che degradano la plastica in 40 minuti

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L’invenzione della plastica durante la prima metà del 20° secolo è stata una brillante conquista che ha cambiato la forma della nostra società moderna per i decenni a venire. La plastica è entrata nelle nostre vite in modo tale che oggi una società senza plastica sarebbe semplicemente impensabile.

La plastica è un materiale polimerico derivato da combustibili fossili. È costituito da monomeri, piccole molecole che si ripetono decine di migliaia di volte.

All’interno di questa struttura polimerica troviamo piccole molecole chiamate additivi che includono antiossidanti, plastificanti, coloranti, ecc.

L’uso di additivi è ciò che consente alla plastica di acquisire la forma e le caratteristiche che conosciamo. Uno dei più eccezionali è la sua incredibile resistenza.

I rifiuti di plastica, infatti, possono rimanere nell’ambiente per decenni, diffondendosi in tutto il pianeta e raggiungere l’angolo più nascosto di qualsiasi ambiente, sia esso acqua, terra o aria.

È così che la caratteristica migliore di questo materiale ha trasformato un miracolo del 20° secolo (l’invenzione della plastica) in una delle piaghe del 21° secolo: l’inquinamento generato dall’onnipresente diffusione dei rifiuti di plastica.

La plastica rilascia tossine nell’ambiente

Un aspetto degno di nota è che molti degli additivi presenti nella plastica sono tossici per gli animali, compreso l’uomo; che potrebbe essere, infatti, uno degli aspetti più pericolosi dell’inquinamento da plastica, il rilascio lento e prolungato di piccoli composti tossici nell’ambiente.

La forza delle materie plastiche è dovuta alla loro particolare struttura chimica, che è il risultato della sintesi in laboratorio.

Infatti, le materie plastiche di per sé non esistono in natura, e questo potrebbe spiegare perché non si degradano in un ambiente naturale. O almeno così pensavamo, fino ad ora.

La scoperta delle larve che scompongono il polietilene

Una recente scoperta ha posizionato la lente d’ingrandimento su alcune larve di insetti, capaci di rompere le strutture delle poliolefine più resistenti, come il polietilene (PE) e il polistirene (PS).

Nello specifico, uno di essi, la larva della Galleria mellonella lepidoptera, detta anche baco della cera, mostrava un atteggiamento estremamente avido nei confronti del degrado plastico.

L’abilità del verme della cera è stata scoperta nel mio laboratorio, il risultato di una buona dose di interesse ambientale e di preoccupazione per la plastica, insieme a un po’ di fortuna.

Come apicoltore per hobby, maneggio regolarmente alveari e favi. I vermi della cera sono considerati un parassita che infetta gli alveari, quindi non è raro trovarli all’interno degli alveari. In un’occasione, ho insaccato i vermi usando un comune sacchetto di plastica commerciale. In poco tempo, ho trovato la borsa piena di buchi.

Serendipity è stata unita al mio interesse personale nel trovare un modo per sbarazzarsi della plastica, e ciò che è seguito è stata l’analisi di laboratorio della plastica dopo il contatto con l’invertebrato e la scoperta della sua capacità di degradarla.

Il riciclaggio non basta

Il problema creato dall’accumulo di rifiuti di plastica iniziò ad essere sollevato dall’opinione pubblica negli anni Settanta. Sono state tentate numerose soluzioni, ma i risultati sono sotto gli occhi di tutti: ad oggi sembra non esserci via d’uscita da questa piaga. Oltre a non gettare rifiuti nell’ambiente, le altre due e uniche soluzioni finora adottate sono l’incenerimento e il riciclaggio meccanico, pratiche che comportano un enorme costo ambientale, e che hanno dato e continuano a dare scarsi risultati.

Lo sviluppo di metodologie alternative per il trattamento dei rifiuti di plastica (ad esempio il riciclaggio chimico) è un campo in forte sviluppo. In questo contesto, anche l’uso di organismi biologici per degradare la plastica e trasformarla in prodotti potenzialmente utili è una promettente linea di ricerca. Sebbene questa prospettiva sia molto interessante, ad oggi non è disponibile alcuna tecnologia bio-based.

La degradazione (rottura, depolimerizzazione, ecc.) dei polimeri plastici con mezzi biologici, generalmente noti come biodegradazione, è stata tradizionalmente associata all’attività di batteri e funghi.

Questo perché negli ultimi 20 anni circa sono stati identificati una manciata di microrganismi con la capacità di abbattere alcuni materiali plastici.

Nessun valore nutritivo per batteri e funghi

L’effetto dei microrganismi sulla plastica è stato normalmente associato all’attività metabolica di questi microrganismi, con un risultato finale di rilascio di CO₂ nell’ambiente.

Un presupposto diffuso nel campo della biodegradazione è che questi batteri o funghi utilizzino la plastica come fonte di cibo, uno scenario piuttosto insolito considerando il basso valore nutritivo di questo polimero. Infatti, non si può certo dire che vi sia una biodegradazione di plastiche resistenti (PE, PS, PP –polipropilene–) dovuta all’attività di batteri o funghi ambientali.

Il degrado della plastica nell’ambiente deriva in gran parte da meccanismi abiotici, come l’esposizione ai raggi UV o al calore.

La degradazione microbica osservata finora in condizioni sperimentali è estremamente bassa, il che significa un tempo di incubazione molto lungo (mesi) con un’efficacia molto ridotta. Questo è uno dei motivi principali per cui non esiste ancora uno strumento biotecnologico che ci permetta di farla finita con la plastica.

La scommessa sulle larve

Fortunatamente, la possibilità di degradazione con mezzi biologici non si limita ai microrganismi. Sono state rinvenute diverse larve di insetti, appartenenti all’ordine Lepidotteri e Coleotteri, in grado di decomporre polimeri plastici resistenti, come PE e PS.

Questa nuova nicchia è iniziata qualche anno fa, e gli accoliti si sono aggiunti mese dopo mese, rendendolo un campo sempre più ampio e di maggiore interesse.

Tutto ebbe inizio quando si scoprì che le larve dei Lepidoptera Plodia interpunctella erano in grado di biodegradare il PE, grazie ai batteri che colonizzano il loro intestino. Poco dopo si scoprì che le larve del coleottero Tenebrio molitor potevano avere lo stesso effetto sulla PS, in questo caso grazie a specie di batteri non ancora individuati nell’intestino.

La scala temporale dell’azione di biodegradazione è più nell’intervallo di poche settimane che di mesi, il che rappresenta un miglioramento rispetto ai batteri ambientali finora caratterizzati.

Tuttavia, poche settimane sono ancora molte per un potenziale strumento biotecnologico.

Il verme della cera può degradare il PE in 40 minuti.

Il più veloce tra gli insetti in grado di degradare la plastica si è rivelata essere la larva della Galleria mellonella lepidoptera, detta anche cerata. Le sue larve possono degradare il PE entro 40 minuti dall’esposizione.

Questi invertebrati vivono e prosperano nell’alveare, scavando tunnel nel nido d’ape e lasciando dietro di sé un filamento che producono costantemente. Si nutrono di tutto ciò che trovano in quell’ambiente, come larve d’api, polline o cera.

È la somiglianza della cera con la struttura chimica della plastica che rende questi vermi capaci di scomporre il PE? O è un altro aspetto della tua natura? La risposta è ancora sconosciuta, così come i meccanismi molecolari alla base di questo forte effetto.

Attualmente stiamo valutando diverse possibilità per quanto riguarda la capacità della Galleria mellonella di biodegradare la plastica. Consideriamo se può essere attribuito a batteri nell’intestino o al verme stesso. Una terza possibilità è un’azione complementare di entrambe.

In ogni caso, l’identificazione degli enzimi coinvolti in questo processo sarà essenziale per comprendere il processo molecolare che guida la degradazione della plastica da parte di questo insetto, e sarà essenziale per l’analisi di ciò che invece si forma (identificazione dei sottoprodotti).

Conoscere quest’ultimo sarà il gateway per ridimensionare il processo. In primo luogo, gli enzimi dovranno essere caratterizzati, riprodotti in condizioni di laboratorio e, infine, tutto sarà pronto per lo sviluppo dell’applicazione del potente strumento biotecnologico che rappresentano.

Caratterizzare il macchinario enzimatico responsabile della degradazione della plastica all’interno del waxworm rappresenterà il paradigma di come lo sviluppo di strumenti biotecnologici possa aiutare l’uomo ad affrontare le conseguenze del proprio ingegno, come l’invenzione della plastica stessa, e il risultato che può essere generato da lo sfruttamento economico delle invenzioni.

In generale, i progressi tecnologici potrebbero, e speriamo lo faranno, farci uscire da un terribile ciclo e fornirci la soluzione al flagello dell’inquinamento da plastica che ci affligge.

Autore

Federica Bertocchini, Centro Ricerche Biologiche Margarita Salas (CIB – CSIC)