الغلاف البلاستيكي

وُصفت ظاهرة الغلاف البلاستيكي لأول مرة عام 2013 من قِبل فريق مؤلف من ثلاثة علماء بحار، هم: ليندا أمارال-زيتلر من مختبر الأحياء البحرية، وتريسي مينسر من معهد وودز هول لعلوم المحيطات ، وإريك زيتلر من جمعية التعليم البحري . ^{[ 10 ] [ 11 ]} جمعوا عينات بلاستيكية خلال رحلات بحثية لدراسة كيفية عمل الكائنات الدقيقة وتأثيرها على النظام البيئي. حللوا شظايا بلاستيكية جُمعت بشباك من مواقع متعددة في المحيط الأطلسي. ^{[ 11 ]} استخدم الباحثون مزيجًا من المجهر الإلكتروني الماسح وتسلسل الحمض النووي لتحديد التركيب الميكروبي المميز للغلاف البلاستيكي. ^{[ 11 ]} من أبرز النتائج "مُكَوِّنات الحفر"، وهي كائنات حية تُشكِّل الشقوق والحفر، مما يُقدِّم دليلًا على التحلل البيولوجي ^{[ 11 ] [ 12 ]} وقد يكون لديها أيضًا القدرة على تحليل الهيدروكربونات . ^{[ 11 ]} في تحليلهم، وجد الباحثون أيضًا أفرادًا من جنس الضمة (Vibrio )، وهو جنس يضم البكتيريا المسببة للكوليرا وغيرها من أمراض الجهاز الهضمي. ^{[ 13 ]} تتميز بعض أنواع الضمة بقدرتها على التوهج، ويُفترض أن هذا يجذب الأسماك التي تتغذى على الكائنات الحية التي تستعمر البلاستيك، والتي بدورها تتغذى من معدة الأسماك. ^{[ 14 ]} كما وجدت دراسات أُجريت في بحر البلطيق ^{[ 15 ]} وفي البحر الأبيض المتوسط ​​[ ^{16 ]} كائنات دقيقة من جنس الضمة ، في الأغشية البلاستيكية وشظاياها، وفي الألياف البلاستيكية، على ^{التوالي} .

اخترع ليو بايكلاند البلاستيك عام 1907 باستخدام الفورمالديهايد والفينول . ^{[ 17 ]} ومنذ ذلك الحين، ازداد استخدام البلاستيك بشكل هائل وأصبح منتشراً في جميع أنحاء المجتمع البشري. ففي الفترة من 1964 إلى 2014، تضاعف استخدام البلاستيك عشرين مرة، ومن المتوقع أن يتضاعف بحلول عام 2035. [ ^{18 ] وقد} ركزت الجهود المبذولة للحد من إنتاج البلاستيك من خلال حظره بشكل كبير على التغليف والبلاستيك أحادي الاستخدام ، لكنها لم تُبطئ من وتيرة التلوث البلاستيكي. وبالمثل، تميل معدلات إعادة تدوير البلاستيك إلى الانخفاض. ففي الاتحاد الأوروبي ، لا يُعاد تدوير سوى 29% فقط من البلاستيك المستهلك. ^{[ 19 ]} ويتراكم البلاستيك الذي لا يصل إلى مرافق إعادة التدوير أو مكبات النفايات في البيئات البحرية نتيجةً للإلقاء العرضي للنفايات، أو الفقدان أثناء النقل، أو التخلص المباشر منه من السفن. ^{[ 19 ]} في عام 2010، قُدِّر أن ما بين 4 إلى 12 مليون طن متري من النفايات البلاستيكية دخلت النظم البيئية البحرية. ^{[ 20 ]}

تتجمع جزيئات البلاستيك الدقيقة الأصغر حجمًا والأقل وضوحًا في المحيطات منذ ستينيات القرن الماضي. ^{[ 21 ]} ومن المخاوف الحديثة المتعلقة بتلوث البلاستيك الدقيق استخدام الأغشية البلاستيكية في الزراعة، حيث يُستخدم 7.4 مليون طن من الأغشية البلاستيكية سنويًا لزيادة الإنتاج الغذائي. ^{[ 22 ]} وقد وجد العلماء أن الأغشية الحيوية الميكروبية يمكن أن تتشكل في غضون 7-14 يومًا على أسطح الأغشية البلاستيكية، ولها القدرة على تغيير الخصائص الكيميائية للتربة والنباتات التي نتناولها. ^{[ 23 ]} وقد تم رصد جزيئات البلاستيك الدقيقة في كل مكان، حتى في القطب الشمالي، نتيجة لدوران الغلاف الجوي. ^{[ 24 ]}

أظهرت دراسات التسلسل واسعة النطاق انخفاضًا في التنوع الألفي في البلاستيسفير مقارنةً بعينات التربة المحيطة، وذلك نتيجةً لانخفاض ثراء الأنواع في البلاستيسفير. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} تؤثر شظايا أغشية البوليمر على الميكروبات بطرق مختلفة، مما يؤدي إلى تأثيرات متباينة على معدلات نمو الميكروبات في البلاستيسفير. ^{[ 25 ] [ 28 ] [ 29 ]} تطلق بعض البكتيريا المحللة للبوليمر نواتج ثانوية سامة نتيجةً للتحلل، مما يُعيق استعمار البلاستيسفير من قِبل أنواع أخرى. ^{[ 25 ]} كما ينخفض ​​التنوع الوراثي في ​​البلاستيسفير مقارنةً بعينات التربة المجاورة. ^{[ 25 ]}

تختلف المجتمعات البكتيرية والميكروبية في الغلاف البلاستيكي اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في عينات التربة المحيطة، مما يخلق بيئة إيكولوجية جديدة ضمن النظام البيئي. ^{[ 25 ] [ 30 ] [ 31 ]} يُعد النمو النوعي للبكتيريا الناتج عن شظايا الأغشية سببًا رئيسيًا لتكوين مجتمع بكتيري فريد. ^{[ 25 ] [ 32 ]} كما ثبت أن التغيرات في تكوين المجتمع البكتيري بمرور الوقت في الغلاف البلاستيكي تُحفز تغيرات في الأراضي المحيطة. ^{[ 25 ] [ 28 ] [ 33 ]}

في دراسة أخرى تناولت العوامل المؤثرة على تنوع الغلاف البلاستيكي، وجد الباحثون أن أعلى درجة من الكائنات الحية الدقيقة الفريدة تميل إلى تفضيل قطع البلاستيك الزرقاء. ^{[ 34 ]}

وصفت ورقة بحثية نُشرت عام 2024 تجربة أُجريت عبر المحيط الأطلسي والبحر الأبيض المتوسط ​​بهدف دراسة استيطان الكائنات الحية وتنوعها الجيني في الغلاف البلاستيكي البحري. وحددت الورقة البحثية دببة الماء التي تحتضن البلاستيك في بيئتها الطبيعية . ^{[ 35 ]}

تُسهّل قدرة بعض أنواع البكتيريا على تحليل البوليمرات ازدهارها داخل الغلاف البلاستيكي. تشمل شعب البكتيريا التي يزداد وجودها في الغلاف البلاستيكي مقارنةً بعينات التربة الخالية من الشظايا البلاستيكية الدقيقة: البكتيريا الحمضية ، والبكتيريا الشعاعية ، والبكتيريا البكتيرويدية ، والبكتيريا الكلوروفليكسية، والبكتيريا الفيرميكوتية، والبكتيريا البلانكتوميسيتية ، والبكتيريا البروتينية . ^{[ 25 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} علاوة على ذلك، تتواجد بكثرة بكتيريا من رتب الريزوبيات ، والرودوباكتريات ، والسفينغوموناديل في الغلاف البلاستيكي. ^{[ 25 ]} تؤثر التفاعلات ضمن التركيبة الفريدة للمجتمع البكتيري في الغلاف البلاستيكي على الدورات البيوجيوكيميائية المحلية وتفاعلات الشبكة الغذائية للنظم البيئية .

تتميز المجتمعات البكتيرية في البلاستيسفير بعمليات أيض مُعززة. ^{[ 25 ]} وقد أظهرت تحليلات إثراء مسارات KEGG لعينات البلاستيسفير زيادة في معالجة المعلومات الوراثية والبيئية، والعمليات الخلوية، وأنظمة الكائن الحي. ^{[ 25 ]} تشمل الوظائف الأيضية المُعززة للمجتمعات في البلاستيسفير: أيض النيتروجين، ومسارات إشارات الأنسولين، والإفراز البكتيري، وأيض مركبات الفوسفور العضوية ، وأيض مضادات الأكسدة، وتخليق فيتامين ب، والانجذاب الكيميائي، وتخليق الكينونات التربينويدية، وأيض الكبريت، وأيض الكربوهيدرات، وتحلل مبيدات الأعشاب، وأيض الأحماض الدهنية، وأيض الأحماض الأمينية، ومسارات الأجسام الكيتونية، وتخليق الليبوبوليسكاريد، وتحلل الكحول، وتحلل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، وأيض الدهون، وأيض العوامل المساعدة، ونمو الخلايا، وحركة الخلايا، ونقل الأغشية، وأيض الطاقة، وأيض المواد الغريبة. ^{[ 25 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

يشير وجود أنواع محللة للهيدروكربونات مثل البكتيريا المحللة للهيدروكربونات في الغلاف البلاستيكي إلى وجود صلة مباشرة بين الغلاف البلاستيكي ودورة الكربون . ^{[ 25 ] [ 42 ] [ 43 ]}

تشير تحليلات الميتاجينوم إلى أن الجينات المشاركة في تحلل الكربون، وتثبيت النيتروجين، وتحويل النيتروجين العضوي، وأكسدة الأمونيا، ونزع النيتروجين، وإذابة الفوسفور غير العضوي، وتمعدن الفوسفور العضوي، وإنتاج ناقلات الفوسفور، تتواجد بكثرة في البلاستيسفير، مما يدل على التأثير المحتمل للبلاستيسفير على الدورات البيوجيوكيميائية . ^{[ 25 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} وتشمل شعب البكتيريا الموجودة في البلاستيسفير، نظرًا لقدرتها على التحلل البيولوجي ودورها في دورات الكربون والنيتروجين والفوسفور، شعبتي البروتيوكتيريا والبكتيرويديت. ^{[ 25 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 51 ] [ 52 ]} وتستطيع بعض البكتيريا المحللة للكربون استخدام البلاستيك كمصدر غذائي. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

بحثت دراسات أجريت في جنوب المحيط الهادئ إمكانية مساهمة الغلاف البلاستيكي في انبعاثات _ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز _، حيث لوحظت مساهمات منخفضة نسبياً من هذا الغلاف في انبعاثات غازات الدفيئة. ومع ذلك، فقد خلصت الدراسات إلى أن مساهمة الغلاف البلاستيكي في انبعاثات غازات الدفيئة تعتمد على درجة تركيز المغذيات ونوع البلاستيك. ^{[ 55 ]}

تشير تحليلات إثراء مسارات KEGG لعينات البلاستيسفير إلى وجود وفرة في التسلسلات المرتبطة بالأمراض البشرية في البلاستيسفير. ^{[ 25 ]} كما تتواجد بكثرة بكتيريا ضمة الكوليرا المسببة للكوليرا ، ومسارات السرطان، وتسلسلات داء المقوسات. ^{[ 13 ] [ 25 ]} وتستمر البكتيريا الممرضة في البلاستيسفير جزئيًا بفضل امتصاص الملوثات العضوية على الأغشية الحيوية واستخدامها كمصدر للتغذية. ^{[ 25 ] [ 39 ] [ 40 ]} ويهدف البحث الحالي أيضًا إلى تحديد العلاقة بين البلاستيسفير والفيروسات التنفسية، وما إذا كان البلاستيسفير يؤثر على استمرار الفيروسات وبقائها في البيئة. ^{[ 56 ]}

تتمتع بعض الكائنات الدقيقة الموجودة في الغلاف البلاستيكي بقدرة على تحليل المواد البلاستيكية. ^{[ 19 ]} قد يكون هذا مفيدًا، إذ يُمكن للعلماء استخدام هذه الميكروبات لتحليل البلاستيك الذي قد يبقى في البيئة لقرون. ^{[ 57 ]} مع ذلك، عندما يتحلل البلاستيك إلى قطع أصغر، وصولًا إلى الجزيئات البلاستيكية الدقيقة ، يزداد احتمال استهلاكه من قِبل العوالق ودخوله السلسلة الغذائية . ^{[ 58 ]} وبما أن العوالق تُفترس من قِبل الكائنات الحية الأكبر حجمًا، فقد يتسبب البلاستيك في تراكمه الحيوي في الأسماك والكائنات البحرية الأخرى التي يتناولها الإنسان. ^{[ 58 ]} يُبين الجدول التالي بعض الكائنات الدقيقة ذات القدرة على التحلل البيولوجي. ^{[ 19 ]}

غالبًا ما تكون عملية تحلل البلاستيك بواسطة الكائنات الدقيقة بطيئة للغاية. ^{[ 19 ]} ومع ذلك، يعمل العلماء على تعديل هذه الكائنات وراثيًا لزيادة قدرتها على التحلل البيولوجي للبلاستيك . على سبيل المثال، تم تعديل بكتيريا Ideonella sakaiensis وراثيًا لتحليل البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) بمعدلات أسرع. ^{[ 68 ]} كما أظهرت العديد من المعالجات الكيميائية والفيزيائية الأولية إمكانية تعزيز درجة التحلل البيولوجي لمختلف البوليمرات. فعلى سبيل المثال، استُخدمت معالجات الأشعة فوق البنفسجية أو أشعة غاما لزيادة درجة التحلل البيولوجي لأنواع معينة من البلاستيك. ^{[ 19 ]}

واصل لي وزملاؤه (2023) ^{[ 69 ] هذا الجهد من خلال نهج مبتكر يجمع بين قدرات بكتيريا Ideonella sakaiensis على تحليل البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) وخصائص انجذاب بكتيريا Vibrio natriegens إلى المياه المالحة. وقد تمكن لي وزملاؤه (2023) [ 69 ]} في مختبراتهم من استخلاص الحمض النووي من I. sakaiensis وإدخاله في V. natriegens. أتاحت هذه العملية لـ V. natriegens إنتاج إنزيمات قادرة على تحليل بلاستيك PET في بيئة المياه المالحة. ورغم أن هذا العمل اقتصر على المختبرات وفي درجات حرارة الغرفة، إلا أنه يُعدّ تقدماً في الجهود المبذولة لتطوير كائنات دقيقة قادرة على تحليل الجزيئات البلاستيكية الدقيقة والنانوية التي تتراكم في البيئات البرية والبحرية.