Tekstilna industrija predstavlja jedan od najvećih izazova u području gospodarenja otpadom, s godišnjom proizvodnjom od 124 milijuna tona tekstilnih vlakana u 2023. godini. Sintetička vlakna, posebice poliamidi i poliuretan-elastan, čine značajan dio ove proizvodnje, dok se manje od 1% tekstila reciklira na globalnoj razini. Nova istraživanja znanstvenika iz Srbije pokazuju da bakterije roda Streptomyces mogu značajno poboljšati razgradnju ovih materijala u uvjetima kompostiranja.
Istraživanje biorazgradnje tekstilnih materijala pomoću bakterija
Tim istraživača s Instituta za molekularnu genetiku i genetički inženjering Univerziteta u Beogradu, u suradnji s Fakultetom za tehnologiju i metalurgiju, proveo je opsežno istraživanje o potencijalu tri soja bakterija roda Streptomycesza razgradnju sintetičkih i prirodnih tekstilnih materijala. Studija objavljena u časopisu Microorganisms fokusirala se na poliamid (PA), poliamid-elastan (PA-EA) i pamučne (CO) materijale u modelnim uvjetima kompostiranja.
Istraživači su koristili sojeve Streptomyces sp. R1, Streptomyces spectabilis BPS43 i Streptomyces rubiginosohelvolusNP10, koji su prethodno izolirani iz različitih izvora uključujući tlo, koru drveća i trupeće drvo. Ovi sojevi odabrani su na temelju njihove sposobnosti rasta na različitim hranjivim podlogama i preliminarnog testiranja njihove sposobnosti razgradnje poliuretana i celuloze. Testovi su pokazali da soj BPS43 ima najveću aktivnost razgradnje poliuretana, dok je soj NP10 pokazao najvišu aktivnost na celulozi.
Rezultati eksperimenata u modelnom kompostu
Eksperimenti su provedeni u kontroliranim uvjetima kompostiranja pri temperaturi od 30°C, što predstavlja optimalnu temperaturu za rast bakterija roda Streptomyces. Tekstilni uzorci dimenzija 5 cm × 3 cm zakopani su u modelni kompost pripremljen od različitih komponenti tla i komercijalnih kompostnih mješavina. Kompost je bio obogaćen bakterijskim kulturama koje su se dodavale svakih 15 dana kako bi se održala vlažnost i aktivnost mikroorganizama.
Nakon 12 mjeseci inkubacije, soj S. spectabilis BPS43 pokazao je značajno poboljšanje razgradnje sintetičkih materijala. Kod poliamida zabilježeno je dodatnih 16% gubitka mase u odnosu na kontrolni kompost bez dodanih bakterija, što je rezultiralo ukupnim gubitkom mase od 42%. Slično tome, kod poliamid-elastan materijala postignuto je povećanje razgradnje od 10% nakon 12 mjeseci, s ukupnim gubitkom mase od 31%. Zanimljivo je da su sojevi R1 i NP10 pokazali manju efikasnost kod sintetičkih materijala, što ukazuje na moguću kompeticiju s prirodnim mikroorganizmima u kompostu.
Kod prirodnih pamučnih materijala, soj S. rubiginosohelvolus NP10 pokazao je izuzetnu efikasnost s povećanjem razgradnje od 14% nakon dva mjeseca. Vizualna inspekcija uzoraka pokazala je gotovo potpunu dezintegraciju pamučnih vlakana tretiranih ovim sojem, dok su sintetički materijali zadržali svoju osnovnu strukturu uz vidljive promjene na površini vlakana.
Molekularne analize i identifikacija enzima
Genomska analiza tri soja Streptomyces otkrila je prisustvo brojnih enzima potencijalno sposobnih za razgradnju poliamida i poliuretana. Soj BPS43 posjedovao je najviše homologa enzima za razgradnju PA/PU – ukupno 14, uključujući šest za poliamid i osam za poliuretan. Posebno je značajna identifikacija enzima BPS43_Amd8, koji pokazuje 44% sličnosti s UMG-SP-1, jednim od najefikasnijih poznatih enzima za razgradnju poliuretana identificiranih iz metagenoma komposta.
FTIR spektroskopska analiza degradiranih materijala pokazala je smanjenje intenziteta karakterističnih pikova u rasponu od 3000 do 2800 cm⁻¹ kod PA-EA materijala, što ukazuje na promjene u strukturi poliamida. Elektronska mikroskopija (FESEM) otkrila je značajne morfološke promjene na površini vlakana, posebice kod uzoraka tretiranih sojem BPS43, gdje su vlakna pokazivala hrapavu površinu s vidljivim nepravilnostima.
LC-MS analiza produkata razgradnje identificirala je povećanu koncentraciju tetramere PA6 (453,3 m/z) u reakcijskim smjesama s ekstraktima soja BPS43, što dodatno potvrđuje njegovu sposobnost razgradnje poliamida. Ovi rezultati sugeriraju da se promjene u vlaknima primarno odnose na razgradnju poliamidne komponente, dok poliuretanski segment ostaje relativno netaknut.
Ekotoksikološka sigurnost tretiranih materijala
Važan aspekt istraživanja bila je procjena ekotoksičnosti tretiranih tekstilnih materijala. Testovi s bioluminescentnom bakterijom Aliivibrio fischeri pokazali su potpunu odsutnost ekotoksičnosti ekstrakta PA, PA-EA i pamučnih materijala. Dodatno, citotoksični testovi na ljudskim keratinocitima (HaCaT stanice) potvrdili su da PA-EA i pamučni ekstrakti nisu citotoksični pri testiranim koncentracijama, dok je PA ekstrakt pokazao umjerenu citotoksičnost samo pri najvišim koncentracijama.
Implikacije za gospodarenje tekstilnim otpadom
Ovo istraživanje pruža važne uvide u potencijal bioaugmentacije komposta specifičnim sojevima bakterija roda Streptomyces za poboljšanje razgradnje sintetičkih tekstilnih materijala. Soj S. spectabilis BPS43 identificiran je kao posebno obećavajući za poboljšanje razgradnje poliamida i poliamid-elastan tekstila, dok je S. rubiginosohelvolus NP10 pokazao izuzetnu efikasnost u razgradnji pamučnih materijala.
Genomske analize otkrile su prisustvo brojnih enzima s potencijalom za razgradnju sintetičkih polimera, što otvara mogućnosti za daljnju karakterizaciju i optimizaciju ovih biokatalizatora. Posebno je značajna identifikacija amidaza jedinstvenih za soj BPS43, koje bi mogle biti ključne za njegovu superionu aktivnost razgradnje. Ovi enzimi mogli bi se u budućnosti koristiti kao zasebni biokatalizatori ili biti integrirani u same materijale kako bi se aktivirali nakon odlaganja.
Rezultati istraživanja ukazuju da članovi roda Streptomyces mogu biti vrijedni alati u razvoju održivih strategija gospodarenja tekstilnim otpadom, bilo kao cijeli stanični biokatalizatori ili kao izvori enzima za industrijsku primjenu. Daljnja istraživanja trebala bi se fokusirati na optimizaciju uvjeta kompostiranja, karakterizaciju identificiranih enzima i razvoj praktičnih aplikacija za tretman tekstilnog otpada na većoj skali.
SAVJETODAVNI PARTNER
