พลาสติกย่อยสลายตัวเองเจนใหม่ กับอวสานของไมโครพลาสติก/ทะลุกรอบ ป๋วย อุ่นใจ

ดร. ป๋วย อุ่นใจ

ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

พลาสติกย่อยสลายตัวเองเจนใหม่

กับอวสานของไมโครพลาสติก

 

ประเทศไทยเป็นหนึ่งประเทศที่ขึ้นท็อปฮิตติดชาร์ตประเทศที่ทิ้งขยะพลาสติกออกสู่สิ่งแวดล้อมสูงที่สุดในโลก

แน่นอนว่าขยะบางส่วนก็ถูกปลดปล่อยลงไปสู่มหาสมุทรกลายเป็นขยะพิษที่สร้างผลกระทบใหญ่หลวงต่อสิ่งมีชีวิต

สัตว์ทะเลหายากมากมายหลายชนิดไม่ว่าจะเป็นวาฬ นก เต่าทะเล หรือแม้แต่พะยูนชื่อดังอย่างน้องมาเรียมจำต้องสังเวยชีวิตให้กับพฤติกรรมเสพติดการใช้พลาสติกของมนุษย์

ด้วยปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ หลายประเทศทั่วโลกจึงเริ่มให้ความสำคัญกับการลดปริมาณขยะพลาสติก โดยการรณรงค์จำกัดการใช้พลาสติก และเพิ่มการรีไซเคิลพลาสติกเท่าที่จะทำได้

ในประเทศไทยก็มีความพยายามเช่นกันที่จะลดปริมาณการใช้พลาสติกที่มีอย่างมหาศาล (ที่ในตอนนี้อยู่ที่ราวๆ สองล้านตันต่อปี)

ซึ่งภาครัฐก็ได้ออกนโยบายรณรงค์งดใช้พลาสติกแบบใช้ครั้งเดียวอย่างเอาจริงเอาจัง ด้วยความหวังที่ว่าจะช่วยลดปัญหาขยะพลาสติกล้นมหาสมุทรลงได้บ้าง

พร้อมทั้งออกมาประกาศว่าจะแบนพลาสติกแบบใช้ครั้งเดียวในปี 2021

ร้านสะดวกซื้อ และซูเปอร์มาร์เก็ตส่วนใหญ่ก็สนองตอบนโยบายอย่างรวดเร็วโดยการเลิกแจกถุงใส่ของ

ภัตตาคารและร้านรวงต่างๆ ก็เปลี่ยนจากการใช้หลอดพลาสติกไปเป็นหลอดกระดาษหรือหลอดแบบรียูส ที่สามารถเอาไปล้างกลับมาใช้ใหม่ได้

ผู้คนก็เริ่มพกถุงผ้าเวลาไปช้อป

ดูเหมือนการรณรงค์จะประสบผล ปริมาณขยะพลาสติกที่ปล่อยลงในสิ่งแวดล้อมนั้นในประเทศนั้นลดลงอย่างเห็นได้ชัด

 

แต่ทว่าสถานการณ์นั้นกลับแย่ลงอีกครั้ง เมื่อมีการระบาดของโรคโควิด-19

ทุกมาตรการที่เคยทำไปนั้นเหมือนเจอทางตัน เรียกว่าแทบจะต้องกลับมาเริ่มนับหนึ่งกันใหม่อีกรอบ หลังจากการระบาดระลอกแรก รัฐประกาศใช้มาตรการล็อกดาวน์ ให้ประชาชนคนทำงานเกือบทุกภาคส่วนเริ่มเวิร์กฟรอมโฮม

อาหารการกินแทบทุกอย่างจึงต้องสั่งเดลิเวอรี่เอา ให้มาส่งกันถึงหน้าประตู

ปริมาณการใช้ภาชนะและบรรจุภัณฑ์ทั้งหลายจึงพุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว

และแปรสภาพเป็นขยะพลาสติกปริมาณมหาศาล

แค่ในเขตกรุงเทพฯ และปริมณฑลอย่างเดียว ก็พุ่งไปเฉียด 3 พันห้าร้อยตันต่อวันแล้ว

จากเดิมที่ตัวเลขจะอยู่ที่ราวๆ สองพันตันต่อวันเท่านั้น

ปัญหาขยะพลาสติกที่วนย้อนกลับมาใหม่คราวนี้ใหญ่กว่าเดิม เพราะไม่มีทีท่าว่าจะกลับลดลงไปได้อีก

และเมื่อเกิดระบาดในระลอกใหม่ ระลอกสอง ระลอกสาม ปริมาณจำนวนขยะพลาสติกก็เริ่มเป็นปัญหาสะสมที่ค่อยๆ ทวีความรุนแรงเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

แม้ว่าผู้ประกอบการบางร้านจะพยายามที่จะช่วยลดปัญหามลภาวะจากพลาสติกโดยการปรับเปลี่ยนไปใช้ภาชนะที่ทำมาจากพลาสติกชีวภาพที่ย่อยสลายได้เองในธรรมชาติ หรือที่เรียกว่า bioplastic หรือ biodegradable plastic เพราะเชื่อกันว่าน่าจะเป็นผลดีต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า

แต่ในความเป็นจริง ดราม่าในเรื่องที่ว่าพลาสติกชีวภาพนั้นดีต่อสิ่งแวดล้อมจริงหรือไม่ก็ยังเป็นประเด็นที่ถกเถียงกันไม่จบสิ้น เพราะแม้ว่าพลาสติกชีวภาพพวกนี้จะย่อยสลายได้ไวกว่าพลาสติกแบบดั้งเดิมอย่างมาก แต่ก็ไม่ได้จะย่อยสลายได้ทั้งหมดและมักจะต้องใช้เวลาเป็นเดือนๆ ในการย่อยสลาย

ซ้ำร้ายยังมักแตกตัวกลายเป็นไมโครพลาสติก (microplastics) อนุภาคขนาดจิ๋วที่ปนเปื้อนลงไปในสิ่งแวดล้อม ทะเล ภูเขา สัตว์ต่างๆ จนแม้แต่ตัวเราเองก็อาจจะรับผลกระทบจากการปนเปื้อนของไมโครพลาสติกที่ติดมาในน้ำ ในอากาศ หรือในอาหารไปด้วย

ยิ่งไปกว่านั้น ถ้าพลาสติกชีวภาพไม่ได้ถูกแยกทิ้งอย่างเหมาะสม และถูกเอาไปผสมอยู่กับขยะพลาสติกรีไซเคิล เศษซากจากการย่อยสลายไม่หมดของพวกมันจะสร้างปัญหายุ่งยากวุ่นวายในกระบวนการรีไซเคิลพลาสติกไปด้วย

 

แม้จะยังไม่มีผลการศึกษาทางการแพทย์แน่ชัดว่าอนุภาคไมโครพลาสติกขนาดเล็กราวเม็ดฝุ่นเหล่านี้จะมีผลกระทบต่อสุขภาพของคนหรือแม้แต่สัตว์ต่างๆ อย่างไร แต่ไม่ว่าจะส่งผลอย่างไร เราก็คงต้องยอมรับและหาทางแก้ไขต่อไป เพราะในเวลานี้ ไมโครพลาสติกได้ปนเปื้อนไปทั่วแล้ว

“ผู้คนเตรียมที่จะปรับเปลี่ยนไปใช้พลาสติกชีวภาพแทนพลาสติกที่ใช้ครั้งเดียว แต่กลายเป็นว่าอาจจะเกิดปัญหาไม่คุ้มกับประโยชน์ที่จะมี และถ้าเป็นเช่นนั้น เราคงต้องมานั่งปรับนโยบายการใช้งานกันใหม่อีกรอบ” ถิง ซู (Ting Xu) ศาสตราจารย์ทางด้านเคมี วัสดุศาสตร์และวิศวกรรมจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (University of California Berkeley) และห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์เบิร์กลีย์ กระทรวงพลังงาน สหรัฐอเมริกา (Lawrence Berkeley National Laboratory, US Department of Energy) กล่าว

ถิงเป็นหนึ่งในนักวิจัยระดับท็อปของวงการ ที่พวกนักวิจัยในสายเดียวกันมักจะเรียกว่าเป็น “บิ๊กช็อต (big shot)” ในด้านวัสดุศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งด้านพลาสติกและโพลิเมอร์ ห้องปฏิบัติการของเธอได้พัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ ขึ้นมามากมาย

และที่โดดเด่นที่สุดก็คือเทคนิคการฝังเอนไซม์ลงในโพลิเมอร์และพลาสติก

เส้นพลาสติก PCL ที่มีเอนไซม์ไลเปสที่ห่อหุ้มด้วย RHP ฝังอยู่

ความท้าทายหลักของไอเดียนี้ จึงอยู่ที่เทคนิคในการรักษาโครงสร้างของเอนไซม์ในคงรูปอยู่ในสภาวะที่ทำงานได้ แม้จะถูกเอาไปผสมเป็นส่วนประกอบหนึ่งในโพลิเมอร์หรือในพลาสติก

เพื่อรักษาสภาพเอนไซม์ของเธอให้คงทนอยู่ได้หลังจากที่ฝังลงไปในวัสดุโพลิเมอร์ หรือพลาสติก ทีมวิจัยของถิงจึงได้ศึกษาคุณสมบัติบนผิวของเอนไซม์ที่เธอสนใจอย่างละเอียดโดยการสร้างแบบจำลองโมเลกุลของเอนไซม์ในคอมพิวเตอร์ (Molecular Simulation) และลองทดสอบในเชิงทฤษฎีดูว่าเอนไซม์ของเธอจะมีเสถียรภาพเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรบ้าง เมื่อใส่สารเคมีที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันลงไป

จนในที่สุด เธอก็ได้ออกแบบสารโพลิเมอร์แบบใหม่ขึ้นมาเพื่อช่วยรักษาสภาพเอนไซม์ เรียกว่าเฮเทอโรโพลิเมอร์แบบสุ่ม (random heteropolymer) หรือเรียกสั้นๆ ว่า RHP

RHP จะทำหน้าที่เหมือนเป็นอาภรณ์หุ้มห่อเอนไซม์ไว้ข้างใน เป็นเกราะที่จะช่วยปกป้อง เพิ่มความคงทนและความเสถียรให้กับเอนไซม์อยู่ข้างใน เอนไซม์ที่ถูกห่อหุ้มอยู่ด้วย RHP จะยังไม่เริ่มทำงาน พวกมันจะจำศีลอยู่ในวัสดุของเธอ จนกว่าสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนไป จะปลุกให้มันตื่นขึ้นมาและเริ่มทำงานอีกครั้ง

ในปี 2018 ภายใต้การสนับสนุนของกระทรวงกลาโหม สหรัฐอเมริกา ทีมวิจัยของถิงได้ลองใช้ RHP เพื่อช่วยฝังเอนไซม์ออแกโนฟอสฟอรัสไฮโดรเลส (organophosphorus hydrolase) หรือ OPH ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ทำหน้าที่ในการย่อยสลายสารออร์แกโนฟอสเฟต (organophosphate) ที่เป็นสารพิษที่พบได้ในสารฆ่าแมลง (insecticide) และในอาวุธเคมี (chemical warfare) ที่มักพบปนเปื้อนในสิ่งเเวดล้อม แล้วขึ้นรูปทำเป็นเแผ่นเยื่อบำบัดสารพิษ (bioremediation)

และเมื่อเธอจุ่มแผ่นเยื่อฝังเอนไซม์ของเธอลงไปในสารละลายยาฆ่าแมลงที่มีออร์แกโนฟอสเฟตอยู่ ภายในไม่กี่นาที สารพิษส่วนใหญ่ในนั้นก็ถูกย่อยสลายโดยเอนไซม์ที่ฝังตรึงติดแน่นอยู่ในแผ่นเยื่อของเธอ

 

ย้อนกลับมาที่พลาสติก ปัญหาที่ทำให้การย่อยสลายพลาสติกนั้นทำได้ยากยิ่งก็คือ พวกมันไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อให้สลายตัวได้ง่าย โครงสร้างโมเลกุลของพวกมันแพ็กกันแน่นมาก จนแม้แต่โมเลกุลของน้ำก็ยังยากที่จะแทรกซึมผ่านเข้าไปข้างในได้

และนั่นหมายความว่าในธรรมชาติ แม้จุลินทรีย์สามารถจะปล่อยเอนไซม์ที่ย่อยสลายพลาสติกออกมาได้อย่างเหลือเฟือ แต่การย่อยสลายก็ยังเกิดได้อย่างเชื่องช้าและจะเกิดขึ้นแค่ที่ผิวเท่านั้น

ซึ่งการย่อยสลายแบบนี้ จะทิ้งไมโครพลาสติกเอาไว้ให้ดูต่างหน้าเป็นปัญหาสังคมต่อไป

แต่ถ้าอยากให้การย่อยสลายเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์และรวดเร็ว โดยไม่ทิ้งไมโครพลาสติกไว้ นักวิจัยจะต้องหาวิธีอะไรก็ได้ที่จะเปิดทางให้เอนไซม์สามารถแทรกซึมเข้าไปย่อยสลายเนื้อในของพลาสติกให้ได้

วิธีการหนึ่งก็คือออกแบบวัสดุให้มีรูพรุนเปิดช่องว่างให้เอนไซม์แทรกซึมเข้าไปย่อยสลายโครงสร้างภายในให้ได้

แต่ถ้าพรุน ตัววัสดุเองก็จะเปราะและแตกหักได้ง่าย อาจจะไม่ตอบโจทย์การใช้งานเท่าที่ควร

“ถ้าคุณมีเอนไซม์อยู่แค่บนผิว มันก็จะค่อยๆ กัดกร่อนผิวลงไปอย่างเชื่องช้า คุณต้องกระจายเอนไซม์ไปให้ทั่วในระดับนาโนเพื่อที่เอนไซม์แต่ละตัวจะค่อยๆ ย่อยสลายพลาสติกรอบๆ ตัวมันจนไม่เหลือหรอ และนั่นแหละคือตอนที่วัสดุจะค่อยๆ เสื่อมสลายไปจนหมด”

ถิงกล่าว

เส้นใยนี้ถูกย่อยสลายอย่างสมบูรณ์ภายในเวลาแค่ 36 ชั่วโมงที่ 40 องศาเซลเซียสในน้ำก๊อก

ไอเดียของถิงก็คือ ถ้าเราสามารถฝังเอนไซม์ย่อยพลาสติกซึ่งมีขนาดเล็กจิ๋วมาก ให้กระจายไปทั่วทุกอณูของวัสดุเลยตั้งแต่ต้น พอถึงเวลาย่อยสลาย เอนไซม์ก็จะกัดกินเส้นใยพลาสติกรอบๆ ตัวมันจากภายในสู่ภายนอก ทำให้เกิดการย่อยสลายอย่างรวดเร็วและสมบูรณ์ และใช้ระยะเวลาเพียงน้อยนิด

ความท้าทายหลักของไอเดียนี้ จึงอยู่ที่เทคนิคในการคงสภาพของเอนไซม์ให้ยังทำงานได้ แม้จะถูกฝังอยู่ในพลาสติกที่ผ่านการใช้งานมาแล้วอย่างโชกโชน ซึ่งแจ๊กพ็อตว่าเทคนิคการใช้ RHP ในการฝังเอนไซม์ลงในวัสดุของเธอนั้นตอบโจทย์การสร้างพลาสติกชีวภาพเวอร์ชั่นใหม่ของเธอได้อย่างพอดิบพอดี

ทีมวิจัยของถิงได้เลือกที่จะกระจายฝังเอนไซม์โปรติเนสเค (proteinase K) ที่เธอซื้อมาลงไปในตอนขึ้นรูปเส้นใยพลาสติกโพลีแล็กติกแอซิด (polylactic acid, PLA) และฝังเอนไซม์ไลเปส (lipase) ลงไปในพลาสติกโพลิคาโปรแล็กโตน (polycaprolactone, PCL) และเพื่อกระตุ้นการย่อยสลาย ก็แค่ต้องเติมน้ำและเพิ่มอุณหภูมิก็เท่านั้น

จากการทดลองของเธอ เอนไซม์โปรติเนสเคสามารถย่อยสลาย PLA ได้มากถึง 80 เปอร์เซ็นต์ที่อุณหภูมิห้อง (ราวๆ 25 องศาเซลเซียส) ภายในเวลาสัปดาห์เดียว

แต่ถ้าร้อนหน่อยที่ 40 องศาเซลเซียส ให้เวลาเพียงแค่ 2 วัน ไลเปสก็สามารถสลาย PCL จนไม่เหลือหรอ และถ้านำไปใช้ที่อุณหภูมิที่สูงกว่านี้ในโรงกำจัดขยะอุตสาหกรรม เวลาที่จำเป็นต้องใช้ก็อาจจะลดลงไปได้อีก ทั้งเร็วและไม่ทิ้งซากไมโครพลาสติกเอาไว้ให้ยุ่งยาก ทำให้การแยกขยะพลาสติกชีวภาพออกในตอนทิ้งนั้นไม่จำเป็นอีกต่อไป

ชัดเจนว่าเทคโนโลยีการฝังเอนไซม์ด้วย RHP นี้สามารถนำไปปรับใช้ได้มากมาย

ที่น่าคิดต่อยอดก็คือ ในฐานะที่เราอยู่ในประเทศที่ยืนหนึ่งในเรื่องความหลากหลายทางชีวภาพของโลก เรามีขุมทรัพย์เอนไซม์สารพัดชนิดในธรรมชาติ นี่คือโอกาสในการสร้างนวัตกรรมต่อยอด ชุดตรวจโรค แผ่นบำบัดพิษ เยื่อผลิตวัคซีนกึ่งสำเร็จรูป หรืออาจจะเป็นอะไรที่ทะลุกรอบยิ่งไปกว่านี้ก็เป็นได้

โอกาสอยู่เพียงแค่เอื้อมมือคว้า แต่จะมีใครคว้าไว้ได้หรือไม่ อันนั้นคงต้องรอลุ้นกันต่อไป

 

บทความก่อนหน้านี้คนรุ่นใหม่กับความใฝ่ฝันที่ไม่เคยล้าสมัย : รำลึก 120 ปี ปรีดี พนมยงค์/My Country Thailand ณัฐพล ใจจริง
บทความถัดไปความคิดสร้างสรรค์ ในวัฒนธรรมตีมือ/พื้นที่ระหว่างบรรทัด ชาตรี ประกิตนนทการ