A proposito di microplastiche, spesso il dibattito si concentra sulla riduzione alla fonte, che è la prima cosa da fare. Tuttavia, anche la degradazione delle microplastiche deve avere un maggiore spazio e una maggiore applicazione pratica.
Questo perché, indipendentemente dalla virtuosità dell’economia circolare, è molto facile e frequente che le microplastiche possano sfuggire al controllo e liberarsi a livello ambientale.
La degradazione rappresenta una delle soluzioni di maggiore interesse, senza però dimenticare che prima di tutto viene la cattura (possibilmente con elementi naturali).
Non si deve pensare poi che le microplastiche siano un problema solo per l’ambiente acquatico, anzi: la terraferma contribuisce in modo sostanziale all’inquinamento, sia per il suolo che per l’aria.
Tempo fa fece scalpore uno studio che riportò di aver trovato microplastiche persino sulle vette più alte del mondo, come nel caso dell’Everest. Ebbene, questo ci deve dare la misure dell’importanza di tale questione.
A dirla tutta, le microplastiche non dovrebbero essere sempre degradate: ci sono alcuni casi in cui questi materiali possono diventare utili in ambito di risanamento ambientale, come nel caso deglia ssorbenti per sversamenti di petrolio, o altri ancora.
Di seguito seguiremo uno studio molto rilevante in materia, che spiega bene a che punto sia la ricerca in materia di degradazione delle microplastiche.
Degradazione delle Microplastiche: Un Obiettivo Importante
Nonostante la degradazione delle microplastiche rappresenti una delle priorità su cui agire, non bisogna dimenticare che questi materiali possono avere anche una importante funzione ambientale.
Si tratta in particolare del monitoraggio e persino del sostegno agli interventi di risanamento ambientale.
Ciò che accomuna entrambe queste possibili applicazioni delle microplastiche è il rilevamento: è necessario conoscere il livello delle microplastiche presenti nell’ambiente, tanto in acqua quanto al suolo e persino in aria.
Microplastiche come Sentinelle Ambientali
La presenza di determinati tipi di microplastiche nell’ambiente è un elemento essenziale per poter conoscere la diffusione potenziale e gli effetti attesi di varie forme di inquinamento.
I metalli, ad esempio, possono legarsi alle microplastiche ed estendere la contaminazione anche a grande distanza, sfruttando l’effetto trasporto di questi materiali.
Senza contare poi la “relazione pericolosa” che sussiste tra microplastiche e resistenza microbica: vari studi hanno dimostrato che il film batterico che si crea sulla superficie delle microplastiche può favorire la creazione e la diffusione dei geni per la resistenza batterica (ARG).
Conoscere i livelli, i tipi e la distribuzione ambientale delle microplastiche sono dunque pilastri essenziali dell’azione di prevenzione.
Microplastiche come Soluzione per il Risanamento Ambientale
E’ possibile “sfruttare” in senso positivo le caratteristiche riportate sopra e trasformare (almeno in alcuni casi) questi inquinanti in uno strumento per ridurre la portata di alcuni tipi di inquinamento ambientale.
Senza entrare troppo nei dettagli, basti citare la possibile applicazione delle microplastiche come materiale assorbente per alcuni sversamenti chimici nell’acqua (petrolio, ma non solo).
Unitamente all’azione sugli sversamenti, la capacità delle microplastiche di attrarre diversi inquinanti le rende potenzialmente utili in molte situazioni.
Bisogna controllare attentamente il processo di assorbimento con ausili esterni, comunque, perché il rischio che una parte di questi materiali possa sfuggire e liberarsi nell’ambiente è sempre attivo.
Metodi per la Degradazione
Poiché le microplastiche sono molto resistenti al deterioramento, tendono ad accumularsi nell’ambiente e diventano un contaminante significativo per l’ecosistema. Per questo motivo, è urgente individuare metodi di degradazione più efficaci per ridurre l’inquinamento causato dalle microplastiche.
La degradazione può avvenire in due modi principali:
- degradazione abiotica
- degradazione biotica
Di seguito entriamo un pò nei dettagli di queste due grandi categorie di degradazione delle microplastiche, per comprendere meglio cosa potrà succedere nel prossimo futuro.
Degradazione Abiotica delle Microplastiche
La degradazione delle plastiche attraverso mezzi abiotici (cioè processi fisici, chimici o meccanici) viene chiamata degradazione abiotica. I principali tipi di degradazione abiotica che possono degradare i polimeri delle microplastiche sono: fotodegradazione, degradazione termica e degradazione termo-ossidativa.
La Fotodegradazione delle Microplastiche
La fotodegradazione è un processo in cui i fotoni (luce) vengono assorbiti dalle molecole polimeriche delle microplastiche, soprattutto tramite radiazioni ultraviolette (UV). La maggior parte delle plastiche, quando esposta a raggi UV, tende a rilasciare carbonio organico disciolto e, in misura minore, anidride carbonica, monossido di carbonio, metano e altri gas idrocarburici.
Studi hanno dimostrato che un’esposizione prolungata di microplastiche come polistirene (PS), cloruro di polivinile (PVC), polietilene tereftalato (PET) e polietilene (PE) ai raggi UV o al vuoto UV (VUV) provoca cambiamenti significativi nella superficie, nell’idrofobicità e nelle caratteristiche chimiche delle microplastiche.
Ad esempio, il polietilene irradiato artificialmente per 26 giorni con raggi UV, e poi interrato nel suolo, ha rilasciato meno dello 0,5% di carbonio in peso dopo 10 anni. Senza questa pre-irradiazione, il rilascio era inferiore allo 0,2%.
La Degradazione Termica delle Microplastiche
La degradazione termica avviene quando l’aumento della temperatura fa perdere al polimero le sue proprietà chimiche, fisiche ed elettriche, portando così alla sua degradazione.
In questo processo, il polimero può andare incontro a depolimerizzazione (cioè scomposizione nelle unità di base) se l’energia libera del sistema diminuisce.
L’aumento di temperatura intensifica le vibrazioni molecolari e provoca modifiche strutturali che generano tensioni nei legami chimici, fino a romperli e frammentare il polimero.
La Degradazione Termo-Ossidativa delle Microplastiche
Si tratta di una variante della degradazione termica in cui il polimero, già destabilizzato dall’aumento di temperatura, reagisce ulteriormente con l’ossigeno presente nell’aria, accelerando il processo di degradazione.
Studi avanzati hanno sviluppato modelli (basati sulla “continuum damage mechanics” – CDM) per prevedere la perdita di resistenza di materiali polimerici compositi ad alte temperature, tenendo conto della diffusione dell’ossigeno e dell’innesco di microfratture a livello della matrice polimerica.
I Processi Avanzati di Ossidazione per le Microplastiche
Tra i metodi abiotici, rientrano anche i processi avanzati di ossidazione, che mirano a rompere i legami chimici delle plastiche fino a riportarle alla forma monomerica. Ad esempio, polietilene (PE) e polipropilene (PP) possono degradarsi per foto-ossidazione, generando acidi carbossilici insaturi e composti carbonilici, che rendono le plastiche ancora più suscettibili all’assorbimento di radiazioni UV.
I Limiti della Degradazione Abiotica
Nonostante questi metodi possano degradare le microplastiche, presentano diversi svantaggi:
- elevato consumo energetico
- processi complessi
- affidabilità limitata
Per questo motivo, la degradazione abiotica, pur essendo utile, non è ancora considerata una tecnica del tutto adeguata per eliminare le microplastiche.
Degradazione delle Microplastiche con i Batteri
La degradazione delle microplastiche (MP) tramite microrganismi, chiamata anche biodegradazione, è considerata il metodo più efficiente per eliminare le microplastiche.
Questo processo si basa sulla naturale capacità di alcuni batteri di degradare acidi grassi a lunga catena, caratteristica che li rende adatti anche a scomporre polimeri resistenti come polietilene (PE), polietilene tereftalato (PET) e polistirene (PS).
Ricerche hanno dimostrato che batteri appartenenti ai generi Pseudomonas, Escherichia e Bacillus hanno un grande potenziale nel degradare le plastiche. Alcuni ceppi specifici, come Pseudomonas aeruginosa, Bacillus megaterium e Rhodococcus ruber, sono stati identificati come capaci di degradare polimeri termoplastici come PE e PET.
La biodegradazione microbica delle microplastiche è influenzata da diversi fattori ambientali, come temperatura, pH e attività dei ceppi batterici, oltre che da effetti misurabili della degradazione come perdita di peso del polimero, variazione del peso molecolare ed efficienza di degradazione. Per questo motivo, è importante controllare e, se possibile, modificare questi parametri per ottenere la massima efficacia.
I Vantaggi della Biodegradazione
Un vantaggio fondamentale della biodegradazione microbica è che si tratta di un processo poco dispendioso in termini energetici, molto più sostenibile rispetto ai metodi abiotici.
Essa risulta particolarmente efficace sia per i polimeri naturali (come la lignocellulosa) sia per quelli sintetici (come le microplastiche, per l’appunto). Inoltre, è stato osservato che l’immobilizzazione degli enzimi su supporti a base di carbonio aumenta l’efficienza della degradazione e la possibilità di riutilizzare gli enzimi.
Un altro vantaggio importante è la convenienza economica: ad esempio, la biodegradazione delle sostanze poli- e perfluoroalchiliche (PFAS) tramite microrganismi è risultata un’opzione sostenibile, a basso costo e rispettosa dell’ambiente.
Anche i trattamenti preliminari delle microplastiche (come acido polilattico, amido termoplastico o cellulosa) con NaOH hanno mostrato di migliorare la solubilità dei polimeri e quindi accelerare la degradazione.
Infine, la biodegradazione risulta ancora più efficace quando è associata ad altri processi abiotici, come fotodegradazione e degradazione termo-ossidativa, creando un effetto sinergico.
In conclusione, la biodegradazione delle microplastiche è un metodo più efficiente ed ecologico rispetto a quelli abiotici, poiché sfrutta l’azione dei microrganismi senza produrre sottoprodotti tossici o dannosi per la salute e l’ambiente.
Il Ruolo Specifico dei Batteri
Nella maggior parte dei casi, la degradazione batterica delle microplastiche avviene attraverso la formazione di biofilm batterici.
È stato osservato che diverse specie di batteri, come Proteobacteria, Actinobacteria e Firmicutes, riescono a tollerare microplastiche derivate da polietilene (PE) e polistirene (PS). La presenza delle microplastiche stimola inoltre la produzione di enzimi degradanti, come idrolasi e lipasi, da parte di questi batteri.
Uno studio interessante ha utilizzato biofilm perifitici costituiti da Deinococcus-Thermus, Proteobacteria e Cianobatteri sono stati utilizzati per degradare microplastiche con strutture diverse, come polipropilene (PP), polietilene (PE) e polietilene tereftalato (PET).
È stato riscontrato che l’aggiunta di glucosio aumentava l’efficienza di degradazione del biofilm per tutti e tre i polimeri, con risultati compresi tra:
- 9,5 – 18,0% per il polipropilene
- 5,9 – 14,0% per il polietilene
- 13,2 – 19,7% per il PET
Anche altri organismi giocano un ruolo: ad esempio, il microbiota intestinale dei lombrichi contiene molecole chiamate drilodefensine, che aiutano a contrastare gli effetti tossici delle microplastiche. Queste sostanze stimolano l’attività antiossidante degli enzimi e convertono gli idrocarburi delle microplastiche in composti innocui.
Osservazioni Speciali sulla Degradazione Batterica delle Microplastiche
Uno studio recente ha dimostrato che il poliacrilonitrile (PAN) può degradarsi completamente in circa 90 ore in ambiente acquoso sotto luce solare simulata, attraverso il processo di fotodegradazione, anche in assenza di microrganismi.
Altri studi hanno mostrato che vari frammenti e fibre di microplastiche provenienti da ambienti acquatici vengono degradati da batteri come Bacillus, Pseudomonas, Stenotrophomonas e Paenibacillus. Inoltre, il ceppo Lysinibacillus mossiliensis ha mostrato la capacità di degradare PE e PS, mentre Pseudomonas stutzeri riesce a degradare PE e PP durante la decomposizione dei rifiuti solidi.
Infine, la bioingegneria batterica apre nuove possibilità: tramite l’inserimento di plasmidi con geni specifici, è possibile ottenere batteri capaci di produrre enzimi coinvolti nella biodegradazione delle microplastiche.
L’introduzione di questi batteri ricombinanti nelle aree inquinate potrebbe facilitare la degradazione di composti xenobiotici (sostanze estranee all’ambiente naturale).
Degradare le Microplastiche con i Funghi
Il polietilene (PE) è uno dei materiali plastici più utilizzati al mondo, impiegato in numerosi settori come l’industria, l’agricoltura e la vita quotidiana, grazie al suo basso costo e alla sua praticità.
Tuttavia, il PE rappresenta una sfida ambientale molto seria, poiché è altamente resistente alla degradazione e costituisce una minaccia globale per l’ambiente.
Uno studio importante ha individuato un fungo capace di degradare il PE, chiamato PEDX3, isolato dall’intestino della falena della cera (Galleria mellonella).
Questo ceppo di fungo, appartenente alla specie Aspergillus flavus, ha mostrato la capacità di degradare in particolare il polietilene ad alta densità (HDPE).
Un’altra ricerca condotta sulla costa occidentale dell’India ha analizzato funghi marini del genere Avicennia, isolati dal suolo rizosferico in 12 diverse aree ecogeografiche, ottenendo in totale 109 isolati fungini.
Questi funghi sono stati testati per la loro capacità di degradare il polietilene in condizioni di pH variabile (3,5 – 7 – 9,5). L’esperimento, durato 60 giorni a temperatura ambiente con agitazione continua, ha valutato i cambiamenti nel peso e nella resistenza alla trazione del PE trattato.
Un Caso di Successo Molto Particolare
I risultati hanno mostrato dati sorprendenti: in alcuni casi si è osservato addirittura un aumento di peso del polietilene, probabilmente dovuto all’adesione dei microrganismi sulla superficie.
In particolare, l’isolato MANGF13 ha registrato il maggiore aumento di peso (28,41 ± 6,99%) a pH 9,5. Al contrario, altri ceppi hanno mostrato una vera capacità di degradazione, tra cui:
- Aspergillus sydowii (PNPF15/TS)
- Aspergillus terreus (MANGF1L)
Questi ceppi sono stati identificati come i più efficienti nella biodegradazione del PE.
Degradazione Fungina: Una Strada Ancora in Salita
Gli studi condotti fino ad oggi dimostrano che diversi funghi hanno effettivamente la capacità di degradare le microplastiche, ma esiste ancora una grande lacuna di conoscenze sull’efficienza della degradazione e sui fattori ambientali che influenzano il processo.
Ulteriori ricerche in questo campo potrebbero chiarire meglio i meccanismi di degradazione fungina e aprire la strada a nuove strategie sostenibili di smaltimento delle plastiche basate sull’uso dei funghi.
La Degradazione Enzimatica delle Microplastiche
L’accumulo di microplastiche ha portato allo sviluppo di diversi metodi di degradazione, in particolare la biodegradazione, nella quale la degradazione enzimatica svolge un ruolo fondamentale.
L’uso di enzimi immobilizzati per la biodegradazione delle microplastiche si è dimostrato efficace perché:
- aumenta l’ossidazione dei polimeri
- accelera la crescita dei batteri
- migliora la stabilità degli enzimi stessi
- incrementa la capacità di trattenere l’acqua
Diversi enzimi secreti da microrganismi, come ossidasi e idrolasi, sono coinvolti nella degradazione delle microplastiche.
Questi enzimi attaccano la struttura del polimero e gli additivi presenti, rendendo la plastica meccanicamente instabile. Oltre a ossidasi e idrolasi, anche altri enzimi partecipano ai processi di degradazione enzimatica.
Un Esempio Significativo di Degradazione Enzimatica
Un esempio significativo riguarda la degradazione del polibutilene succinato (PBS) con la lipasi prodotta da Pseudomonas cepacia.
È stato osservato che all’aumentare della concentrazione di lipasi, cresceva anche l’efficienza di degradazione del PBS. inoltre, l’agitazione della soluzione enzimatica a contatto con le microplastiche accelerava ulteriormente il processo.
Quando lo stesso polimero veniva trattato con lipasi immobilizzata, invece, l’efficienza di degradazione risultava più bassa.
Il Supporto dell’Ingegneria Genetica
Un ulteriore contributo arriva dall’ingegneria genetica, che permette di modificare microrganismi per produrre nuove lipasi ad alta attività degradativa.
Un gene di lipasi recentemente isolato ha mostrato la capacità di degradare gli esteri ftalati, additivi molto comuni nelle plastiche e tra i principali contaminanti da microplastiche negli ambienti acquatici.
Altri studi hanno clonato e fatto esprimere i geni LIP1 e LIP2 da Pseudomonas chlororaphis PA23 all’interno di Escherichia coli. Questi ceppi ingegnerizzati hanno mostrato un notevole potenziale di degradazione verso poliesteri e polimeri di origine petrolchimica.
Tutti questi risultati indicano che la degradazione enzimatica ha un grande potenziale non solo a livello di laboratorio, ma anche per un futuro impiego su scala industriale, aprendo la strada a soluzioni concrete per ridurre l’impatto delle microplastiche.
Perché è Importante Agire sulle Microplastiche
Danni all’ambiente marino, interferenza con il sistema endocrino (anche umano), creazione di condizioni favorevoli per l’antibiotico-resistenza e altre condizioni patologiche sono soltanto alcune delle conseguenze sugli organismi viventi che le microplastiche possono determinare.
Tuttavia, vale la pena di sottolineare ancora una volta il fatto che nella maggior parte dei casi l’azione dannosa delle microplastiche è possibile per il fatto che non si hanno dati certi sulla loro presenza nell’ambiente.
Vero è che nell’ultimo periodo si registra una maggiore attenzione ad alcuni specifici temi, come quello delle isole di plastica negli oceani, ma il problema è molto più ampio.
Ecco perché è necessario agire anche sulla terraferma (anzi, a partire proprio da essa), per evitare che il problema continui ad estendersi.
Infine, cominciare a considerare le microplastiche come un elemento attivo nella protenzione ambientale potrà dare una spinta alla loro rimozione dall’ambiente con la finalità di trasformarle in qualcosa di utile.
Conclusioni
La degradazione delle microplastiche rappresenta un capitolo molto importante dell’azione ambientale ed ha anche uno straordinario valore sanitario.
Le 4 strade percorribili indicate sopra sono al momento oggetto di sempre maggiore attenzione, soprattutto per quanto riguarda la possibilità di utilizzare organismi geneticamente modificati. Questi possono infatti avere un’azione moltos elettiva e mirata che ne permette un utilizzo molto duttile.
Non bisogna però mai dimenticare il valore e il supporto che la natura stessa può dare nella cattura delle microplastiche.
Questo vuol dire che è necessario dislocare in modo strategico sul territorio quegli elementi naturali che sono in grado di assorbirne una quantità importante.
Solo associando la cattura (naturale) delle microplastiche con la capacità degradativa (o con usi utili per il risanamento ambientale) si potrà vincere una battaglia contro un nemico tanto piccolo quanto insidioso e sempre troppo sottovalutato.
