אפיונם של ננו-צלולוזות חיידקיות שנגדלו על מונומרים של פוליאתילן טרפתלט (PET) בעזרת ספקטרוסקופיית ראמן ופורייה-טרנספורם אינפרא-אדום

הפיכת פסולת פלסטיק לסיבים שימושיים

בקבוקים ומכלי מזון עשויים PET נמצאים בכל מקום, וחלקיקים זעירים של פלסטיק זה נמצאים כיום באוקיינוסים, באדמה ואפילו בגופנו. המחקר הזה בוחן דרך יצירתית להתמודדות עם הבעיה: שימוש בחיידקים להמרת אבני הבניין של ה-PET לסיבי צלולוזה ביודג'יטים, מתכלה ודקים מאוד. סיבים אלה, המכונים ננו-צלולוזה חיידקית, יכולים ליצור ממברנות חזקות וגמישות שעשויות בעתיד להחליף חלק ממוצרי הפלסטיק באריזות, ברפואה ובשימושים יום-יומיים אחרים.

מצמחים למפעלים חיידקיים זעירים

צלולוזה היא החומר המבני העיקרי בצמחים וכבר משמשת בנייר, טקסטיל ובמוצרים תעשייתיים רבים. אך קצירתה בדרך כלל תלויה בכריתת עצים או בגידולי מונוקולטורה רחבי היקף. חלק מהחיידקים, כולל המין Komagataeibacter sucrofermentans, יכולים במקום זאת לסלל צלולוזה ישירות מסוכר בתסיסה, ובונים רשת של ננו-סיבים דקים ממאה ננומטר. לננו-צלולוזה חיידקית אלו תכונות אטרקטיביות: היא טהורה (ללא דבקים וליגנין של צמח), סופחת מים היטב וניתנת לעיצוב לממברנות חלקות המתאימות לאריזות מזון או לפדיות פצעים.

להזין חיידקים באבני הבניין של הפלסטיק

החוקרים שאלו האם חיידקים אלה יכולים להשתמש במונומרי ה-PET — אתילן גליקול (EG) ודאיסודיום טרפתלט (TPA) — במקום להסתמך רק על סוכר מסורתי (גלוקוז). הם גידלו את K. sucrofermentans בשלוש תמציות זהות מלבד מקור הפחמן: אחת עם גלוקוז, אחת עם EG ואחת עם TPA. לאחר שלושה שבועות הם אספו וייבשו את הפלקולות של הצלולוזה הצפות על פני הנוזל ושקלו אותן. באופן מפתיע, התשואה הגבוהה ביותר נרשמה מ-EG, שהניב יותר ננו-צלולוזה לליטר מאשר גלוקוז, בעוד ש-TPA נתן תשואה נמוכה יותר. זה מראה שחלק לפחות מהפחמן במונומרי ה-PET ניתן להפנות לחומר שימושי ומתכלה.

איך הסיבים נראים וכמה מסודרים הם

כדי לראות איזה סוג חומר נוצר, הצוות הדגים את הממברנות תחת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. החיידקים שהוזנו בגלוקוז ייצרו משטח צפוף ואחיד של סיבים דקים עם נקבוביות סדירות — סימן לצמיחה מסודרת. EG ו-TPA הובילו לרשתות רופפות ולא סדירות, כאשר TPA ייצר את המבנה הפתוח והלא אחיד ביותר, יותר כמו מרכיב מרוכב מאשר סרט אחיד טהור. מדידות שסף קרני X אישרו את הרושם הוויזואלי הזה: סיבי צלולוזה ממקור גלוקוז הראו גבישיות גבוהה (דחיסה צמודה) כפי שמקושרת לרוב עם צלולוזה חזקה ומסודרת, בעוד שהסיבים ממקור EG היו פחות מסודרים במידה מסוימת וסיבי TPA היו שאפתניים פחות מסודרים בהרבה.

להקשיב למולקולות בעזרת אור

המדענים השתמשו בשתי שיטות מבוססות אור — ספקטרוסקופיית ראמן ואינפרא-אדום — כדי "להאזין" לרעידות המולקולות בתוך הממברנות. שיטות אלה פועלות כמו טביעות אצבע, חושפות אילו קשרים קיימים וכמה מסודרות השרשראות. כל שלושת המדגמים הציגו את האותות האופייניים של צלולוזה, והוכיחו שהחיידקים אכן בנו את הפולימר הצפוי מכל מקור פחמן. אך היו הבדלים חשובים: המדגמי EG ו-TPA הראו חתימות חזקות יותר של אזורים אמורפיים ולא מסודרים, בעוד שננו-צלולוזה המבוססת על גלוקוז הראתה סימנים ברורים יותר של אזורים גבישיים מסודרים. בחומר המזון ב-TPA הופיעו גם רצועות ספקטרליות נוספות שתאמו לקבוצות טרפתלט, כלומר כמה שאריות הקשורות ל-PET נשארו כלואות בממברנה ולא הומרו במלואן.

מה משמעות הדבר לחומרים נקיים יותר

במילים פשוטות, המחקר מראה כי חיידקים מסוימים יכולים "לאכול" חלקים משאריות מולקולריות של PET ולשכתב אותן לגלי צלולוזה, אם כי איכות הגלים הללו תלויה מאוד בחומר הגלם. גלוקוז עדיין נותן את הסיבים הנקיים והמסודרים ביותר, אך EG במיוחד יכול להגביר את כמות החומר המיוצר, ו-TPA יכול לעבור לפחות המרה חלקית בעודו נשאר משולב בקרום עשיר בצלולוזה. הגישה עדיין אינה עושה את ה-PET לנעלם לחלוטין — חלקיקי פלסטיק דמויי-פלסטיק נשארים ועליהם להילקח החוצה — אך היא מציינת נתיב מבטיח ל"ביו-שדרוג" שבו פלסטיק עקשן הופך לחומרים עדיפים יותר. עם אופטימיזציה נוספת של התהליך ושל שלבי טיהור, ננו-צלולוזה חיידקית שגדלה על מונומרי PET יכולה להיכלל במערכת מעגלית שמנהלת פסולת פלסטיק ומספקת ממברנות ברות-קיימא ובעלות-ביצועים גבוהים.

ציטוט: Eriksson, R., Mariam, I., Ramser, K. et al. Characterization of bacterial nanocellulose cultivated on polyethylene terephthalate (PET) monomers via raman and fourier transform infrared spectroscopy. Sci Rep 16, 13133 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46886-z

מילות מפתח: ננו-צלולוזה חיידקית, שדרוג PET, זיהום פלסטיק, חומרים ניתנים לפירוק ביולוגי, ניתוח ראמן ו-FTIR