Sekamuovijätteen jatkojalostaminen geneettisesti muokattujen mikrobien avulla

Abstract

Muovituotanto on kasvanut räjähdysmäisesti alkuajoistaan lähtien muovin monipuolisten käyttömahdollisuuksien vuoksi. Saman aikaisesti tämä on kuitenkin synnyttänyt maailmanlaajuisen muovijäteongelman, johon on vaikuttanut riittämätön jätehuolto. Suuri osa muovista päätyy yhä tänä päivänä luontoon tai kaatopaikoille ja vain murto-osa saadaan kierrätettyä tai hävitettyä pysyvästi lämpökäsittelyn avulla. Muovien kierrätyksestä erityisen haastavaa tekee jätteen heterogeeninen koostumus, mikä rasittaa kierrätysprosessia ja heikentää uusiopolymeerin laatua. Nykyisten jätehuoltotrendien jatkuessa ennallaan ympäristöön päätyvä muovimäärä kasvaa entisestään aiheuttaen haittaa muun muassa eri ekosysteemeille. Tarvitaan siis uusia keinoja, joiden avulla ratkaista muovituotannon mukanaan tuoma jäteongelma. Tässä kandidaatintyössä perehdytään mikrobipohjaiseen menetelmään, jonka avulla muovi-jätettä ei ainoastaan kierrätetä, vaan se kyetään jatkojalostamaan korkean lisäarvon tuotteiksi. Tavoitteena on selvittää, miten heterogeeninen muovijäte voidaan esikäsitellä mikrobeille hyödynnettävään muotoon sekä tutkia, miten mikrobikonsortiot saadaan tuottamaan haluttuja lopputuotteita niiden aineenvaihduntaa muokkaamalla. Lisäksi työssä tarkastellaan menetelmän avulla valmistettavia potentiaalisia jatkojalostustuotteita. Erityisesti huomiota kiinnitetään seka-muovijätteeseen, jonka vaihteleva koostumus aiheuttaa haasteita nykyisessä muovijätteen käsittelyssä. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena, jossa käytettiin mikrobikonsortioihin ja mikrobipohjaiseen muovien käsittelyyn liittyviä vertaisarvioituja tutkimusartikkeleita ja katsauksia. Jotta mikrobit kykenevät hyödyntämään muovijätettä, on se depolymeroitava monomeereiksi. Depolymerointimenetelmän valinnassa on huomioitava, ettei se muodosta mikrobien kasvua rajoittavia tekijöitä tai niille toksisia yhdisteitä. Vaikka jotkin mikrobit pystyvät pilkkomaan muovin polymeereja, tässä työssä tarkastellaan hajottamista siirtymämetallittoman kemiallisen katalyysin avulla, mikä on huomattavasti mikrobipohjaista hajottamista nopeampi tapa. Jotta kaikki de-polymeroinnissa syntyvät monomeerit saadaan hyödynnettyä, käytetään mikrobiokonsortioita eli useampaa kuin yhtä mikrobia. Tämän avulla varmistetaan myös, että metaboliset muokkaukset eivät käy liian raskaaksi yhdelle isäntäorganismille ja että tietylle organismille toksinen substraatti saadaan hyödynnettyä toisen lajin toimesta. Työssä syvennytään erityisesti Rhodococcus jostii RHA1- ja Acinetobacter baylyi ADP1 -kannoista koostuvaan konsortioon, joiden työnjaon avulla muovimonomeerit saadaan muutettua lykopeeniksi ja lipideiksi. Mikrobipohjainen tuotanto edellyttää metabolista muokkausta tuotannon tehostamiseksi. Ilmentämällä lykopeenin ja lipidien synteesireittien keskeisiä geenejä sekä poistamalla sivureittejä, jotka ohjaavat synteesiä ei-toivottuihin lopputuotteisiin, voidaan optimoida mikrobisolutehtaan toimintaa. Saavutettu tuotanto on siihen nähden merkittävä, että raaka-aineena käytetään muovijätettä: kyseisen mikrobikonsortion avulla kyetään saavuttamaan lykopeenin osalta 1700 µg/l taso ja lipidien tuotannossa 26,3 % osuus solun kuivapainosta. Mikrobisolutehtaiden käyttöön liittyy kuitenkin vielä haasteita, joista keskeisempiä ovat haluttujen lopputuotteiden erittäminen solusta ulos, teollisen mittakaavan saavuttaminen ja geeni-muunneltuihin organismeihin liittyvä lainsäädäntö. Työ kuitenkin osoittaa, että mikrobikonsortioiden avulla on mahdollista jatkojalostaa sekamuovijätettä korkean lisäarvon tuotteiksi ja löytää siten kestävämpiä ja ympäristöystävällisempiä tapoja muovijätteen käsittelyyn.