Nedbrydning af plastik

Resume: I 2018 blev der produceret over 350 millioner tons plastik i hele verden. Det meste af den brugte plastik kommer fra emballage, som udgør hele 40% af al plastik i Europa.

Brug af plastik til fødevarer er smart, da det reducerer massen af indpakning. Men plastikken forurener vores klode fordi det er meget svært at nedbryde. I dette undervisningsmateriale fokuserer vi på plastik, enzymer, og hvordan nogle mikroorganismer kan nedbryde plastik.

 

Plastik er meget modstandsdygtigt overfor nedbrydning. Dét er et af plastiks mange fordele. Det gør f.eks., at:

  • Mad vi køber i supermarkedet kan være friskere, når vi bruger plastik som emballage.
  • Drikkevarer og rengøringsprodukter kan indeholdes i en lille plastikcontainer.
  • Vi kan drikke sodavand gennem et sugerør lavet af plastik.

 

Selvom plastik tjener mange formål, og vi har vænnet os til det som en god emballagering, så er en del af vores plastikprodukter kun egnet som engangsprodukt. Det har bevirket, at plastik forårsager store miljømæssige problemer. For selvom vi flittigt affaldssorterer vores plastik, så det kan blive genanvendt, er det ikke helt enkelt. Plastik, der ender til genbrug, er typisk en blanding af forskellige farver og forskellige typer af plastik – for der findes nemlig mange forskellige typer plastik! Al den plastik bliver omsmeltet ved meget høje temperaturer. Men, resultatet er smeltet plastik med farven grå eller sort. Derudover, nogle typer plastik kan heller ikke genbruges, hvis de smeltes sammen med andre typer af plastik. Kun nogle få firmaer har lyst til at bruge den omsmeltede plastik som emballage. Efter at blive genanvendt mange gange, kan plastik ikke smeltes om til ny plastik. Plastik ender derfor på lossepladser eller bliver brændt på et forbrændingsanlæg. Der er hermed ikke længere tale om genanvendelse af plastik.

 

Vi står altså overfor et problem! Vi vil gerne af med den enorme mængde af plastik, der har ophobet sig på vores klode, fordi vi ikke genanvender plastik godt nok. Plastik, som ender i vores natur, er et stort problem for rigtig mange dyr.

Faktaboks: Plastik skader naturen!

En del plastikaffald ender i verdens have. Dermed bliver noget af det spist af f.eks. hvalerne. De kan dog ikke fordøje plastik, men hvalen føler sig mæt, og tror ikke, den behøver at spise. Dermed kan hvalen ende med at dø af sult.

Nogle havskildpadder forveksler en plastikpose i havet med en vandmand. Havskildpadder bliver kvalt ved at prøve at spise den. Andre havskildpadder spiser mindre plastikstykker. Ligesom hvalerne, får havskildpadderne en mæthedsfølelse. Havskildpadderne dør også, da de ikke får rigtig mad. Dertil kommer alle de havskildpadder, der vikler sig ind i gamle fiskenet, sixpack-holdere og lignende, og til sidst drukner.

Sæler kan også vikle sig ind i gamle fiskenet eller huller i plastikposer. Når sælen vokser, strammer plastikken sig rundt om sælens hals, og til sidst bliver den kvalt.

Spørgsmålet er derfor: Kan vi gøre afskaffelsen og genanvendelsen af plastik mere bæredygtig – altså mere miljøvenlig?

Kernen af bioteknologi er at bruge naturen til menneskers fordel. Men kan naturen nedbryde plastik? Svaret er: Ja! Naturen er nemlig fuld af gode løsninger for os mennesker. Forskere har for nyligt fundet en snedig bakterie. Bakterien har udviklet sig til at kunne nedbryde en bestemt type plastik. Faktisk bruger bakterien plastik for at overleve. Det er helt vildt! Da plastikaffald først har været til stede i naturen siden 1960’erne, viser det, hvor hurtigt bakterier kan tilpasse sig deres miljø.

Dette undervisningsmateriale vil kigge nærmere på nedbrydning af plastik vha. bakteriers enzymer– såkaldt bionedbrydning – og forklare kemien bag dette.

 

 

Teori

Inden du kommer til den egentlige bionedbrydning af plastik, er det vigtigt, at du får styr på noget teori. Det er teori om plastik, og hvordan celler kan ændre forskellige kemiske stoffer.

Bionedbrydning af plastik med enzymer

Undervisningsmaterialets anden del omhandler enzymer, der er i stand til at nedbryde plastik. Du kan med fordel læse teoriafsnittet, inden du går i gang med denne del af materialet.

 

Når forskere undersøger nye enzymer, kigger de typisk ude i naturen. I dyr er der enzymer, som nedbryder proteiner fra kød, kulhydrater fra grøntsager, og fedt fra yoghurt. Det fik forskere til at tilføje disse enzymer til vaskepulver, for at gøre tøj rent nemmere, hurtigere og mere skånsomt for tøjet.

 

For kun nogle få år siden fik et japansk forskerhold denne idé: ”Celler, der nedbryder plastik, kan vi finde, hvor der er meget plastik. Lad os tage ud og kigge, hvor plastikken har ligget i lang tid.”

Forskerholdet tog på en losseplads med plastikflasker. De indsamlede en masse plastikflasker og tog dem til deres laboratorie. De undersøgte, om der var celler, som kunne bionedbryde plastik – og det var der! På nogle af plastikflaskerne var der spor af bionedbrydning. Forskerholdet gik straks i gang med at kigge på, hvilken celle der kunne finde ud af det. De fandt mange forskellige celler; bakterier, svampe og andre typer celler. Efter nøje undersøgelser fandt forskerholdet bakterien, som kunne nedbryde plastikflasken. Den var aldrig blevet set før. De navngav bakterien: Ideonella sakaiensis. (Vi skriver altid navne på mikroorganismer i kursiv).

Plastiktypen, som bakterien kan bionedbryde, kaldes for: PET.

Forskerholdet fandt også ud af, bakterien kunne bruge plastiktypen PET som mad. Det er virkelig sejt! For typisk bruger bakterier sukker for at overleve.

Men hvordan kunne bakterien bionedbryde PET? Svaret er: Enzymer! Efter bakteriens opdagelse gik forskningen ud på at forstå enzymets virkemåde. Men, allerførst skulle enzymet navngives! Vi husker, at enzymers navne typisk skal have endelsen –ase og inkludere navnet på deres substrat. Substratet for enzymet er plastiktypen PET.

Forskerholdet navngav hermed enzymet: PETase.

 

Opgave

I undervisningsmaterialet er der en multiple-choice opgave bestående af fem spørgsmål. De forskellige spørgsmål bliver først introduceret med yderligere teori, før de besvares. Opgaven kan løses, når undervisningsmaterialet er gennemgået.

Multiple-choice opgave kan findes herunder, eller som pdf her: Multiple-choice opgave. Multiple-choice opgave.

PETase kan lave andre produkter

PETase kan nedbryde plastikpolymeren PET til MHET. Men! Hvis PET binder bare lidt anderledes til enzymets bindingsdele, vil der blive dannet et andet produkt. Det andet produkt er BHET, se nedenstående figur.

PETase nedbryder PET. Figuren viser, hvilke produkter PETase kan lave, når enzymet nedbryder substratet PET.

Det særlige ved bakterien Ideonella sakaiensis er, at den også har enzymet MHETase. MHETase kan nedbryde MHET til andre kemiske stoffer, som bakterien kan nedbryde videre og indgå med i cellens vækst og bruges som energikilde.

 

Men, hvorfor er det et problem for Ideonella sakaiensis, hvis PETase nedbryder PET til BHET?

  1. BHET binder hurtigt til PET-polymeren igen.
  2. MHETase nedbryder kun MHET. BHET kan ikke bruges som energikilde for bakterien.
  3. MHETase nedbryder BHET alt for hurtigt ift. MHET.
  4. Der er ikke noget problem.

Andre typer plastik end PET

Da det japanske forskerhold fandt Ideonella sakaiensis var bakterien netop i gang med at spise en plastikflaske lavet af plastiktypen PET. PET er en af de mest brugte typer af plastik. Men der findes mange andre typer. Nedenstående figur viser en illustration af andre typer plastik.

Forskellige typer af plastik. Figuren viser forskellige typer af plastik. PET: Polyethylenterephtalat. PS: Polystyrene. PE: Polyethylen. PVC: Polyvinylchlorid.

Hvorfor har forskere ikke fundet Ideonella sakaiensis på andre typer plastik end PET?

  1. Bakterien kan kun overleve af PET. Enzymet PETase nedbryder kun PET og ikke andre typer plastik.
  2. Forskere er for dovne til at undersøge andre typer plastik end PET.
  3. Ideonella sakaiensis kan overleve på alle typer af plastik. Men, bakterien foretrækker mest PET, da den type af plastik giver bakterien mere energi.
  4. Forskernes laboratorieudstyr er ikke avanceret nok til at kunne finde Ideonella sakaiensis på andre typer plastik end PET.

Navngivning af enzymer

Vi husker at navne på enzymer typisk har endelsen -ase. Derudover er navnet på deres substrater også typisk inkluderet i deres navn. PETase nedbryder PET, MHETase nedbryder MHET, og laktase nedbryder laktose.

Vi forestiller os, at vi som de første i verden har opdaget to nye enzymer. Det ene kan nedbryde plastiktypen PS (se figuren i opgave 2) til mindre dele. Det andet enzym, kan nedbryde BHET (se figuren i opgave 1), som er et produkt af PETase.

 

Hvilke navne giver mest mening at give til de to nye enzymer?

  1. Polymerase og monomerase.
  2. asePS og aseBHET.
  3. Enzymase 1 og enzymase 2.
  4. PSase og BHETase.

Den lokale struktur

Vi har læst, at der findes andre enzymer end PETase, som nedbryder PET. Når forskere opdager nye enzymer, går de straks i gang med at undersøge, hvordan de ser ud. Vi ser på figuren med den lokale struktur af enzymerne: PETase, HiCut, og TfCut2. Enzymerne HiCut, og TfCut2 kan også nedbryde PET.

Den lokale struktur af tre enzymer. Figuren viser PETase fra Ideonella sakaiensis, HiCut fra Humicola insolens, og TfCut2 fra Thermobifida fusca.

Hvilken farve er α-helix markeret med på de forskellige enzymer?

Se figur 4 for hjælp.

 

1.

PETase: Lyserød

HiCut: Pink

TfCut2: Hvid

 

2.

PETase: Hvid

HiCut: Hvid

TfCut2: Hvid

 

3.

PETase: Lyserød

HiCut: Blå

TfCut2: Lilla

 

4.

PETase: Orange

HiCut: Pink

TfCut2: Gul

Fremtiden for plastik

Plastik er smart og bruges til mange ting, f.eks.:

  • Plastikemballage holder mad friskere.
  • Computere er lavet af plastik.
  • Sugerør er lavet af plastik.

 

Plastik giver altså mening for at holde vores hverdag sammen. Men alt for meget plastik giver desværre miljøproblemer. Det skader naturen, forbrænding af plastik er ikke miljøvenlig – og hvornår gik du sidst en tur uden at se plastik, som lå og flød på jorden?

 

Hvem, som skal holdes ansvarlig for, at reducere mængden af plastik, er et meget diskuteret emne.

 

Hvem synes du skal reducere mængden af plastik?

Psssst, der findes ikke noget forkert svar. Tal sammen i klassen, om hvad I synes, er det rigtige svar – I behøver slet ikke at være enige.

 

  1. Politikere skal lave flere love om plastikreducering og/eller plastikafgifter.
  2. Det er borgere, som skal stå for at reducere mængden af plastik.
  3. Firmaer skal selv tænke over, hvordan de vil reducere mængden af plastik.
  4. Alle ovenstående svarmuligheder er rigtige, eller i hvert fald to af dem.
  5. Andre som skal reducere mængden af plastik er: __________________________________
PETase kan lave andre produkter

PETase kan lave andre produkter

PETase kan nedbryde plastikpolymeren PET til MHET. Men! Hvis PET binder bare lidt anderledes til enzymets bindingsdele, vil der blive dannet et andet produkt. Det andet produkt er BHET, se nedenstående figur.

PETase nedbryder PET. Figuren viser, hvilke produkter PETase kan lave, når enzymet nedbryder substratet PET.

Det særlige ved bakterien Ideonella sakaiensis er, at den også har enzymet MHETase. MHETase kan nedbryde MHET til andre kemiske stoffer, som bakterien kan nedbryde videre og indgå med i cellens vækst og bruges som energikilde.

 

Men, hvorfor er det et problem for Ideonella sakaiensis, hvis PETase nedbryder PET til BHET?

  1. BHET binder hurtigt til PET-polymeren igen.
  2. MHETase nedbryder kun MHET. BHET kan ikke bruges som energikilde for bakterien.
  3. MHETase nedbryder BHET alt for hurtigt ift. MHET.
  4. Der er ikke noget problem.
Andre typer plastik end PET

Andre typer plastik end PET

Da det japanske forskerhold fandt Ideonella sakaiensis var bakterien netop i gang med at spise en plastikflaske lavet af plastiktypen PET. PET er en af de mest brugte typer af plastik. Men der findes mange andre typer. Nedenstående figur viser en illustration af andre typer plastik.

Forskellige typer af plastik. Figuren viser forskellige typer af plastik. PET: Polyethylenterephtalat. PS: Polystyrene. PE: Polyethylen. PVC: Polyvinylchlorid.

Hvorfor har forskere ikke fundet Ideonella sakaiensis på andre typer plastik end PET?

  1. Bakterien kan kun overleve af PET. Enzymet PETase nedbryder kun PET og ikke andre typer plastik.
  2. Forskere er for dovne til at undersøge andre typer plastik end PET.
  3. Ideonella sakaiensis kan overleve på alle typer af plastik. Men, bakterien foretrækker mest PET, da den type af plastik giver bakterien mere energi.
  4. Forskernes laboratorieudstyr er ikke avanceret nok til at kunne finde Ideonella sakaiensis på andre typer plastik end PET.
Navngivning af enzymer

Navngivning af enzymer

Vi husker at navne på enzymer typisk har endelsen -ase. Derudover er navnet på deres substrater også typisk inkluderet i deres navn. PETase nedbryder PET, MHETase nedbryder MHET, og laktase nedbryder laktose.

Vi forestiller os, at vi som de første i verden har opdaget to nye enzymer. Det ene kan nedbryde plastiktypen PS (se figuren i opgave 2) til mindre dele. Det andet enzym, kan nedbryde BHET (se figuren i opgave 1), som er et produkt af PETase.

 

Hvilke navne giver mest mening at give til de to nye enzymer?

  1. Polymerase og monomerase.
  2. asePS og aseBHET.
  3. Enzymase 1 og enzymase 2.
  4. PSase og BHETase.
Den lokale struktur

Den lokale struktur

Vi har læst, at der findes andre enzymer end PETase, som nedbryder PET. Når forskere opdager nye enzymer, går de straks i gang med at undersøge, hvordan de ser ud. Vi ser på figuren med den lokale struktur af enzymerne: PETase, HiCut, og TfCut2. Enzymerne HiCut, og TfCut2 kan også nedbryde PET.

Den lokale struktur af tre enzymer. Figuren viser PETase fra Ideonella sakaiensis, HiCut fra Humicola insolens, og TfCut2 fra Thermobifida fusca.

Hvilken farve er α-helix markeret med på de forskellige enzymer?

Se figur 4 for hjælp.

 

1.

PETase: Lyserød

HiCut: Pink

TfCut2: Hvid

 

2.

PETase: Hvid

HiCut: Hvid

TfCut2: Hvid

 

3.

PETase: Lyserød

HiCut: Blå

TfCut2: Lilla

 

4.

PETase: Orange

HiCut: Pink

TfCut2: Gul

Fremtiden for plastik

Fremtiden for plastik

Plastik er smart og bruges til mange ting, f.eks.:

  • Plastikemballage holder mad friskere.
  • Computere er lavet af plastik.
  • Sugerør er lavet af plastik.

 

Plastik giver altså mening for at holde vores hverdag sammen. Men alt for meget plastik giver desværre miljøproblemer. Det skader naturen, forbrænding af plastik er ikke miljøvenlig – og hvornår gik du sidst en tur uden at se plastik, som lå og flød på jorden?

 

Hvem, som skal holdes ansvarlig for, at reducere mængden af plastik, er et meget diskuteret emne.

 

Hvem synes du skal reducere mængden af plastik?

Psssst, der findes ikke noget forkert svar. Tal sammen i klassen, om hvad I synes, er det rigtige svar – I behøver slet ikke at være enige.

 

  1. Politikere skal lave flere love om plastikreducering og/eller plastikafgifter.
  2. Det er borgere, som skal stå for at reducere mængden af plastik.
  3. Firmaer skal selv tænke over, hvordan de vil reducere mængden af plastik.
  4. Alle ovenstående svarmuligheder er rigtige, eller i hvert fald to af dem.
  5. Andre som skal reducere mængden af plastik er: __________________________________

Lærervejledning

En lærervejledning til undervisningsmaterialet kan findes her.

Løsninger til multiple-choice opgaven, samt andre relevante dokumenter, kan findes på lærervejledningssiden.

Ordliste

Aktive center: Det sted på et enzym, hvor substratet binder og bliver omdannet. Det består af bindingsdelen hvor substratet binder, og reaktionsdelen, hvor substratet bliver omdannet.

Bionedbrydning: Nedbrydning af materiale vha. biologi. Det kan være enzymer, som nedbryder plastik.

Enzymer: Et protein, som kan udføre en kemisk reaktion.

MHET: Mono-(2-hydroxyethyl) terephtalat. Kemisk stof lavet af råolie. Bindinger mellem mange MHET-monomerer udgør PET-polymeren.

Monomer: Lille molekyle (kemisk stof). Bindingerne mellem monomerer udgør polymerer. Det kan være PET (polymer), sat sammen af mange MHET-dele (monomere).

PET: Polyethylenterephtalat. En bestemt type af plastik. PET er en polymer, sat sammen af MHET-monomerer.

Plastikpolymer: En polymer som udgør plastik.

Polymer: Stort molekyle (kemisk stof), som er sat sammen af mange identiske små stoffer kaldet monomere. Det kan være PET (polymer), sat sammen af mange MHET-dele (monomere).

Proteiner: Byggesten for celler som har mange funktioner. Cellers DNA bestemmer proteiners funktion.

Substrat og produkt: Substrater er kemiske stoffer, som binder til enzymer. Enzymer omdanner substrat til et nyt kemisk stof. Det nye kemiske stof kaldes produkt.

Kildehenvisning:

Dette projekt blev udgivet i april 2022. Det er udarbejdet af Biotech Academy og er blevet opdateret løbende.

null

Projektet er udarbejdet af Jesper Kildemand.

Jesper Kildemand