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A.A. 2018-2019

Le plastiche più comuni sono:• Polietilene (PE)• Polistirene (PS)• Polivinil cloruri (PVC)• Poliuretani• PE tereftalato• Polipropilene

• Le materie plastiche sono polimeri formati generalmente da C, H, O/Si.• Per creare questi polimeri, il petrolio e altri prodotti, vengono riscaldati (distillati)

in condizioni controllate, e divisi in monomeri.• I monomeri vengono successivamente polimerizzati in maniera variegata e

addizionati di altre molecole per formare le plastiche.

Le materie plastiche possono essere suddivise in due categorie principali:• Termoindurenti: solidificazione irreversibile• Termoplastiche: possibile ritorno a

condizioni originali

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Le plastiche più comuni sono:• Polietilene (PE)






Le plastiche più comuni sono:• Polietilene (PE)• Polistirene (PS)






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Le plastiche più comuni sono:• Polietilene (PE)• Polistirene (PS)• Polivinil cloruri (PVC)






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Le plastiche più comuni sono:• Polietilene (PE)• Polistirene (PS)• Polivinil cloruri (PVC)• Poliuretani• PE tereftalato












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Le plastiche più comuni sono:• Polietilene (PE)• Polistirene (PS)• Polivinil cloruri (PVC)






• La produzione di plastica è partita su larga scala dagli anni ’50

• È poi cresciuta in maniera esponenziale: da 2,3 milioni di tonnellate prodotte nel 1950 si è passati alle 448 milioni di tonnellate del 2015.

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9,2 miliardi di tonnellate di plastica

6,7 miliardi di tonnellate spazzatura

6,3 miliardi di tonnellate

monouso

Non esistono stime precise su quanto le plastiche possano biodegradarsi, i tempi

previsti vanno, nel peggiore dei casi, da 450 anni a mai.

LA PLASTICA DALLA TERRAFERMA, AI FIUMI, AL MARE

La maggior parte delle plastiche finisce in mare, a causa non dei rifiuti scaricati dalle navi, ma dalla malagestione sulla terraferma.

Le plastiche si dividono in:• Macroplastiche – hanno dimensioni variabili (da

più di 1m fino ai 2,5 cm)• Microplastiche – >2,5 cm, ne esistono di due tipi:

• Microplastiche primarie – create intenzionalmente

• Microplastiche secondarie – frammenti di oggetti più grandi

PRODUZIONE DELLA PLASTICA

PLASTICA ALLA DERIVA E SULLE SPIAGGE

LE PLASTICHE MANCANTI ERANO DEGRADATE IN MICROPLASTICHE

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Le plastiche si dividono in:• Macroplastiche – hanno dimensioni variabili (da

più di 1m fino ai 2,5 cm)• Microplastiche – >2,5 cm, ne esistono di due tipi:

• Microplastiche primarie – create intenzionalmente

• Microplastiche secondarie – frammenti di oggetti più grandi

PRODUZIONE DELLA PLASTICA

PLASTICA ALLA DERIVA E SULLE SPIAGGE

LE PLASTICHE MANCANTI ERANO DEGRADATE IN MICROPLASTICHE

Le microplastiche secondarie si formano dalla rottura delle macroplastichegrazie:• Alla forza fisica generata dalle onde;• All’energia veicolata dai raggi solari (UV);• All’azione di alcuni organismi marini.

• Le microplastiche sono ovunque negli oceani. Più di 1/3 dei pesci contiene microplastiche (principalmente nel GIT)

• Specie diverse ingeriscono plastiche diverse in base al peso specifico dei materiali:

• Se > 1, affondano e si depositano (es. PS, PVC e PET)• Se < 1, galleggiano (es. PE e PP)

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• Le microplastiche si accumulano nel GIT dei pesci, che spesso vieneeliminato, ma alcune specie vengono consumate interamente (es. molluschie crostacei).

• Le nanoplastiche invece possono attraversare le pareti degli organi etraslocare nei tessuti dei pesci e, di conseguenza, anche in quelli degli umaniche li consumano.

• Gli additivi usati nelle plastiche - quali pigmenti, stabilizzatori, repellenti,ritardanti di fiamma, sostanze come bisfenolo A e gli ftalati - possono essererilasciati dalle plastiche in base alla temperatura, pH, proprietà degli additivi,frammentazione e caratteristiche intrinseche della plastica.

• Le microplastiche possono assorbire i contaminanti organici idrofobici equindi possono rappresentare un vettore per trasferire questi composti agliorganismi acquatici. I composti organici idrofobici preoccupanti identificaticomprendono: pesticidi organoclorurati (OCPs), bifenili policlorurati(PCBs) e idrocarburi policiclici aromatici (PAHs).

DDT decaclorobifenile 3,4-benzopirene

• Le microplastiche si accumulano nel GIT dei pesci, che spesso vieneeliminato, ma alcune specie vengono consumate interamente (es. molluschie crostacei).

• Le nanoplastiche invece possono attraversare le pareti degli organi etraslocare nei tessuti dei pesci e, di conseguenza, anche in quelli degli umaniche li consumano.

• Gli additivi usati nelle plastiche - quali pigmenti, stabilizzatori, repellenti,ritardanti di fiamma, sostanze come bisfenolo A e gli ftalati - possono essererilasciati dalle plastiche in base alla temperatura, pH, proprietà degli additivi,frammentazione e caratteristiche intrinseche della plastica.

• Le microplastiche possono assorbire i contaminanti organici idrofobici equindi possono rappresentare un vettore per trasferire questi composti agliorganismi acquatici. I composti organici idrofobici preoccupanti identificaticomprendono: pesticidi organoclorurati (OCPs), bifenili policlorurati(PCBs) e idrocarburi policiclici aromatici (PAHs).

DDT decaclorobifenile 3,4-benzopirene

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L’impatto economico negativo sull’oceano è stato stimato essere circa di 8 miliardi di dollari annui.

Sono stati fatti sforzi a livello globale, tra i quali i più importanti sono: • Global Partnership on Marine Litter (GPML)• The Honolulu Strategy• The G7

Altre «buone notizie»:• Molti paesi hanno eliminato/tassato le borse di

plastica• La Francia ha annunciato di voler eliminare dal

2020 piatti e bicchieri di plastica• USA, Canada e UK hanno imposto leggi per

eliminare le microbiglie di plastica contenute neicosmetici come esfolianti

• Coca Cola ha annunciato di voler arrivare al riciclodel 100% delle bottiglie che produce entro il 2030

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Per arginare il problema è necessario passare da un’economia lineare ad una circolare, promuovendo il riciclo ed eliminando le plastiche monouso

Inoltre serve produrre nuovi tipi di materiali, con le stesso proprietà delle plastiche, ma biodegradabili:Plastiche biodegradabili Poliuretani

Bioplastiche PHA/PHB

La cosa più importante però è sensibilizzare la popolazione ed educarla alla corretta gestione dei rifiuti e ad un utilizzo responsabile.

Tra le plastiche biodegradabili (bioplastiche) più interessanti ci sono sicuramente i poliidrossialcanoati microbici o PHA.

I PHA sono termoplastiche naturali biodegradabili, sintetizzate e accumulate da un’ampia varietà di microrganismi. Si tratta di poliesteri alifatici.

Il loro vantaggio è quello di essere biodegradabili in condizioni ambientali «normali»

• Uno dei poliesteri alifatici più studiati è il PHB• Sono stati usati in diversi campi di

applicazione • Classificati in PHA a lunga o media catena:

• SCL-PHA (3-5 C)• MCL-PHA (6-15 C)

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1923-27

• Lemoigne isolò e caratterizzò il poliestere poli-3-idrossibutirrato o PHB (un tipo di PHA) da batteri

1958-60

• Staudinger vince il premio Nobel per la Chimica per la sua convinta difesa sul concetto di “macromolecole”.

Fino al 1960

• Non era diffusamente noto che i batteri potessero produrre poliesteri

LA SCOPERTA

1957-58

• Interessamento alla relazione tra granuli intracellulari nei batteri e la grande quantità di PHB trovata in alcune specie

1961

• 1961: Doudoroff e Merrick isolano granuli “nativi” di PHB da Rhodospirillumrubrum e Bacillusmegaterium

1982

• ICI annuncia una nuova termoplastica biodegradabile da Wausteriaeutropha. Nasce Biopol, formata da HB e HV

LA RISCOPERTA

• I granuli di PHB nei batteri fungono da riserva intracellulare di nutrimento ed energia

• Il polimero è prodotto in risposta a limitazioni di nutrienti• In queste situazioni, si attiva un pathway metabolico che devia le unità acetiliche

dal ciclo di Krebs alla produzione di PHB.

Il PHB è un polimero ideale come stoccaggio di carbonio perché:• Non è idrosolubile• È chimicamente e osmoticamente inerte • Può essere riconvertito in acido acetico

Gli specifici enzimi che catalizzano la reazione per la sintesi dell’acido 3-idrossibutirrico, monomero del PHB, non furono identificati fino al 1973.

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Questo ciclo si attiva quando l’acetil-CoA non può entrare nel ciclo di Krebs per mancanza di nutrienti della cellula richiesti per il metabolismo dell’acetil-CoA.

• Catalizza la dimerizzazione di 2 acetil-CoA in acetoacetil-CoA

1° enzima: Chetotiolasi

• Catalizza l’idrogenazione di acetoacetil-CoAin idrossibutirril-CoA

2° enzima: Reduttasi • Catalizza la

polimerizzazione del monomero precedentemente formato

3° enzima: Sintasi

Un meccanismo dettagliato per la reazione di polimerizzazione da parte della sintasi è stato proposto nel 1992.

1. Per l’iniziazione, i due gruppi SH legano due molecole di 3-OH-butirril-CoA2. Si ha una reazione di scambio tra gruppo tioestere e ossiestere3. Si forma un dimero di idrossibutirril-CoA, con rilascio di uno dei due SH4. Per la propagazione, un nuovo monomero di 3-OH-butirril-CoA si lega sull’SH

libero, compiendo una nuova reazione di scambio, formando trimeri, tetrameri…

Reazioni termodinamicamente favorevoli perché la forza del legame dell’ossiestere è maggiore rispetto a quella del tioestere

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Siccome il PHB è accumulato come fonte di carbonio in situazioni di carenza, esiste un rapido meccanismo con cui le cellule degradano questo polimero.

1. Osservazione della capacità di autolisi dei granuli di PHB di diversi microrganismi come Bacillus rubrum, grazie a idrolasi/depolimerasi

2. Isolamento nel 1967 di una deidrogenasi che converte l’acido-R-3-idrossibutirrico in acido acetoacetico

3. Isolamento nel 1973 di un enzima per la conversione di acido acetoacetico in acido acetico.

• Per valutare la capacità dei microrganismi di degradare il PHB, sono usati i metodi clear-zone e plate count:

• Zone chiare indicano idrolisi del polimero

• Test facile, veloce e pratico• Ottenuti microrganismi

PHB-degradanti appartenenti alle famiglie Pseudonomas,

Micronomosporaceae,

Thermonosporaceae,

Streptosporangiaceae eStrepomycetaceae

• Particolarmente attivo è Streptomyces MG

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2D81• Dal punto di vista molecolare, l’enzima che degrada il PHB è una depolimerasi, che prima lega il substrato e poi catalizza il clivaggio catalitico.

• Il clivaggio è differente a seconda dei granuli di PHB:

• Quelli nativi sono rapidamente idrolizzati intracellularmente

• Quelli denaturati sono idrolizzati da depolimerasiextracellulari

• Le depolimerasi extracellulari sono molto interessanti per la degradazione del PHB nell’ambiente.

• PHB depolimerasi sono state isolate da molti microrganismi dei generi Pseudomonas, Alcaligenes e Comamonas.

Possiedono:• Dominio legante il substrato• Dominio catalitico fatto della triade

catalitica Ser-His-Asp dove la serina fa parte di una lipase box

Gly-X-Ser-X-Gly• Regione linker di connessione

Dal PHB stesso:• Peso molecolare• Temperatura di fusione• Complessità di struttura

Da meccanismi indipendenti dal PHB:• Composizione della popolazione

microbica• Ambiente• Temperatura

La degradazione del PHB è influenzata:

Il PHB ha tante proprietà positive, ma alcune anche negative, come:• Alto punto di fusione• Alta tendenza a cristallizzare• Altre proprietà meccaniche sfavorevoli

Modificando le condizioni di coltura (es. di A. eutrophus), è possibile formare un copoliestere dato dall’unione di HB e HV, il cui copolimero assume caratteristiche vantaggiose come minor punto di fusione e proprietà meccaniche migliori.

Acido idrossibutirrico Acido idrossivalerico

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Alcune curiosità…

• Nel 1988 è stato clonato in R. eutropha il set di geni per i 3 enzimi coinvolti nella sintesi del PHB da acetil-CoA. Tale set fu anche clusterizzato in un operone e introdotto in E. coli, che quindi fu in grado di sintetizzare PHB in grandi quantità. Alcuni ceppi di E. coli producevano anche i copolimeri HB e HV. L’enzima purificato è stabile in soluzione acquosa ed è stato utilizzato per la polimerizzazione in vitro di un’ampia varietà di monomeri di 3 e 4-idrossialcanoati Co-A.

• “Polimeri viventi” in quanto la reazione a catena del polimero non aveva termine, poiché la propagazione dell’ultimo gruppo rimane attiva indefinitamente e possono essere sintetizzati in vitro polimeri di molto alto peso molecolare.

• In un’altra applicazione è stato mostrato come i geni di sintasi e reduttasi di A. eutrophus possono essere inseriti in una pianta come Arabidopsis, che può così produrre acetoacetil-CoA e accumulare granuli di PHB (però solo al 14% del suo peso secco).

D’altra parte però i PHB hanno anche delle caratteristiche negative

- Alto punto di fusione

- Alta tendenza a cristallizzare.

- Proprietà meccaniche sfavorevoli.

Si è però visto che modificando le condizioni di coltura, per esempio nel caso di Alcaligenes eutrophus, queste deficienze venivano eliminate, formando un copoliestere dato dall’unione di HB e HV, le cui unità hanno punto di fusione più basso e proprietà meccaniche migliori, mantenendo la caratteristica fondamentale della biodegradabilità in diversi tipi di ambienti.

Diversi autori hanno identificato che il batterio A. eutrophus può produrre grandi quantità di polimero in certe condizioni di crescita: il batterio poteva produrre fino all’80% del suo peso secco nel copolimero HB HV quando cresciuto su una miscela di glucosio e acido propionico.

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• La biomassa fungina nel suolo supera quella batterica, perciò è interessante osservare il ruolo dei funghi nella degradazione dei poliesteri.

• Non sono chiari tutti gli aspetti microbiologici e ambientali della degradazione fungina.

• In generale:• La maggior parte dei poliesteri alifatici viene mineralizzata da un certo

numero di microrganismi aerobi e anaerobici ampiamente distribuiti in natura

• I poliesteri aromatici sono in genere più resistenti all'attacco microbico.

• Biodegradazione dei polimeri microbici: da alcuni studi condotti nel 1994 è emerso che i PHAfossero degradati principalmente da Amastigomycota o Eufungi, ovvero funghi terrestri.

• I funghi sono tra i principali degradatori del PHA nell’ambiente

• Studi più approfonditi hanno evidenziato che tra i funghi le specie più importanti per la degradazione dei PHA fossero Aspergillus e Penicillum

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Esistono due classi di depolimerasi extracellulari:• Depolimerasi per PHA a corta catena PHB e suoi poliesteri• Depolimerasi per PHA a media catena PHA alifatici e aromaticiIn genere i microrganismi hanno una sola tipologia delle due polimerasi. La maggior parte delle depolimerasi sono enzimi specifici per SCL-PHA.

Caratteristiche delle depolimerasifungine:• Singola catena polipeptidica• Agiscono sia a pH acido sia pH

neutro• Principalmente glicoproteine• Suscettibili alla serinesterasi• Ponti disolfuro nei siti attivi

Vantaggi rispetto alle depolimerasi batteriche:• Capacità di agire a pH più

acidi• Capacità di agire a

temperature più basse

Polietilentereftalato (PET)

Polibutilentereftalato (PBT)

• Nonostante rappresentino ottima qualità come materiali, la loro suscettibilità all’attacco microbico è ridotto.

• Alcuni studi hanno dimostrato che alcuni funghi appartenenti alla specie Aspergillus niger possono crescere su poliesteri aromatici.

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Biodegradabilità Buone proprietà di materiale

Copoliesteri formati da monomeri alifatici e aromatici

La presenza di componenti aromatici consente una maggior resistenza del materiale e di conseguenza ne aumenta la qualità. Occorre ragionare sulla loro suscettibilità alla degradazione microbica.

Poliesteri aromatici puri come PET o PBT sono abbastanza insensibili a qualsiasi degradazione idrolitica.

Polietilentereftalato (PET) Polibutilentereftalato (PBT)

Acidi

Calore

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1,4 - butandiolo

Acido tereftalico

Acido adipico

BTA

I poliesteri aromatici resistono all’idrolisi

Aggiunta di componenti alifatiche alle catene aromatiche di poliestere

• Questi copoliesteri possono essere degradati sia da microrganismi che da degradazione chimica spontanea.

• Gli oligomeri aromatici e tutti i monomeri sono rapidamente metabolizzati da microorganismi

• La degradazione finale di oligomeri aromatici più lunghi è molto più lenta.• Partecipa a queste reazioni di degradazione anche l’idrolisi chimica di questi

intermedi oligomerici.

• BASF ha brevettato uno di questi copolimeri alifatici-aromatici

• Ecoflex è un copoliestere commerciale certificato come compostabile

• Gli oligomeri che si formano durante la depolimerizzazione non si accumulano e non hanno effetti ecotossici acuti

• Se efficientemente degradati, i composti aromatici non devono necessariamente essere considerati problematici.

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Il poliuretano (PUR) è un polimero derivato dalla condensazione di polisocianati e polioli che contiene legami uretanici (-NHCOO-, legame estere carbamato).

Per produrli servono:• Polisocianati (O=C=N-R-N=C=O)

con R extender. L’insieme è detto hard segment.

• Polioli detti soft segments

• Distingue PUR polieterici (R-O-R) da PUR poliesterici (R-CO-O-R)

• Catalizzatori• Materiali ausiliari

I PUR:• Usati nelle industrie e con gli scopi più

disparati.• Strutture da soffici a dure (anche schiume)

in base alla loro composizione.• I PUR (soprattutto poliesterici) sono

biodegradabili: risolvono il problema dell’inquinamento da plastiche?

Degradazione dei PUR studiata inizialmente come conseguenza degli impianti di device biomedici a lungo termine

Degradazioni possibili:• PUR poliesterici suscettibili di

rottura idrolitica• PUR polieterici suscettibili a crepe

nei punti di stress fisico• Environmental Stress Cracking

(ESC)• Ossidazione e corrosione delle

componenti metalliche.• Degradazione da enzimi cellulari

e calcificazione

L’ESC è uno dei fenomeni principali che colpisce i PUR, e comporta:• Ossidazione delle superfici, mediata da neutrofili e macrofagi • Stress fisico e strutturale dei materiali

Morfologia molecolare e chimica delle molecole influenzano su tali processi.

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Degradazione dei PUR studiata inizialmente come conseguenza degli impianti di device biomedici a lungo termine

Degradazioni possibili:• PUR poliesterici suscettibili di

rottura idrolitica• PUR polieterici suscettibili a crepe

nei punti di stress fisico• Environmental Stress Cracking

(ESC)• Ossidazione e corrosione delle

componenti metalliche.• Degradazione da enzimi cellulari

e calcificazione

L’ESC è uno dei fenomeni principali che colpisce i PUR, e comporta:• Ossidazione delle superfici, mediata da neutrofili e macrofagi • Stress fisico e strutturale dei materiali

Morfologia molecolare e chimica delle molecole influenzano su tali processi.

Tali processi di idrolisi, se colpiscono i legame uretanico, spesso portano a generare composti potenzialmente cancerogeni, come:

Diamino toluene

4,4 metilen diamina

GLI ATTORI

• Stress sulla struttura anche esterno• Interazione con neutrofili e

macrofagi (loro enzimi, meno i ROS)• Chimica del materiale

LE CONSEGUENZE

• Degradazione del materiale• Infiammazione dei tessuti

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Diamino toluene

4,4 metilen diamina

GLI ATTORI



LE CONSEGUENZE


• Composizione chimica del PUR: maggiore hard segment riduce l’idrolisi da parte di enzimi esterasici grazie ai legami a H protezione verso soft segment

• Centralità di hard segments dimensione e chimica, anche gruppi extender

• Stress esterno sul PUR: influenza morfologia e interazioni del materiale, portando all’esposizione di gruppi su cui si concentra la risposta

• Riduzione legami esteri idrolizzabili • Coniugazione con agenti antiossidanti e additivi che mascherano

siti idrolizzabili


Diamino toluene

4,4 metilen diamina

GLI ATTORI



LE CONSEGUENZE


COME PREVENIRE TALE IDROLISI?

• Composizione chimica del PUR: maggiore hard segment riduce l’idrolisi da parte di enzimi esterasici grazie ai legami a H protezione verso soft segment

• Centralità di hard segments, dimensione e chimica, anche gruppi extender

• Stress esterno sul PUR: influenza morfologia e interazioni del materiale, portando all’esposizione di gruppi su cui si concentra la risposta

• Riduzione legami esteri idrolizzabili • Coniugazione con agenti antiossidanti e additivi che mascherano

siti idrolizzabili

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Sfruttare la capacità biodegradativa dei PUR per varie applicazioni in vivo

Finora abbiamo parlato dell’impedimento della degradazione dei PUR per impianti a lungo termine

Necessità di modificare i diisocianatistoricamente usati:• No diisocianati aromatici (impediscono

degradazione e possono dare composti tossici)

• Si diisocianati contenenti lisina, gruppi polimetilenici e butano, non tossici o molto meno tossici

Necessità di modificare i poliolistoricamente usati:• Azione sul soft segment utilizzando

acidi come acido poliglicolico, ossido di poletilene e policaprolattone

Esametilen diisocianato

Acido poliglicolicoOssido di polietilene

Ossido di polietilene Policaprolattone• Favorisce la degradazione del

PUR richiamando acqua e generando una struttura più debole e amorfa

• Perdita di massa strutturale nel giro di decine di giorni

• Fornisce una stabilità maggiore, pur consentendo l’idrolisi ma a ritmi minori (maggiore struttura cristallina)

• Perdite di massa strutturale più modeste e lente

Un mix dei due materiali permette di generare una struttura spugnosa che in vivo perde rapidamente massa, ma poi si degrada più lentamente.

• Più complicato lavorare con l’hard segment• Possibilità di modificare l’extender per

consentire il rilascio di farmaci

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Anche i microrganismi possono degradare i poliuretani:

• Degradazione del legame uretano• Da parte di alcuni microrganismi• Utilizzo di esterasi• Formazione di un gruppo COOH e

un gruppo OH• Se ne sa poco

• Degradazione dei polioli• Dipende dalla struttura chimica del

poliolo:• PUR polieterici• PUR poliesterici

Degradazione dei PUR polieterici: bassa, in quanto tendono ad essere resistenti all’attacco microbico

Degradazione dei PUR poliesterici: il legame estere è vulnerabile all’idrolisi e responsabile principale della degradazione.

DEGRADAZIONE DA FUNGHI

100 PUR di diverso tipo

7 funghi (Aspergillus e

Penicillum)

• Bassissima degradazione dei PUR polieterici

• Degradazione dei PUR poliesterici

• Mancata degradazione dei PUR poliesterici con catena laterale

La degradazione dei PUR da parte di questi funghi richiede l’aggiunta di diversi componenti organici: i PUR non possono essere utilizzati come unica fonte di carbonio!

Degradazione da parte di esterasi, proteasi ed ureasi extracellulari

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DEGRADAZIONE DA BATTERI

• Degradazione da parte sia di Gram + che Gram –

• Maggiori attività da parte di Corynebacterium

ed Enterobacter

• Anche per questi batteri serve l’aggiunta si nutrienti organici supplementari

• I PUR sono probabilmente usati come co-metaboliti e non come unica fonte di C

COMAMONAS ACIDOVORANS (CA)

• Dimostrato in grado di usare i PUR come unica fonte di carbonio

• PUR metabolizzati mediante rottura dei legami esterici

• Utilizzo di esterasi sulla superficie cellulare


PUR è un substrato solido: il contatto con l’enzima è inefficiente.Necessità di caratteristiche particolari dell’enzima CA esterasi

E’ stato dimostrato che l’enzima esterasico di CA lavora a due step:1. Adsorbimento idrofobico sulla superficie del PUR2. Idrolisi dei legami estere del PUR

Grazie a diverse osservazioni, si è visto che l’esterasi di CA possiede due domini fondamentali:• Dominio idrofobico di legame con la superficie di PUR• Dominio catalitico con funzione esterasicaTale struttura è simile alla depolimerasi dei PHA. Le strutture tridimensionali dei due enzimi, tuttavia, sono diverse.

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PHA depolimerasi (A):• PHA binding domain al C-term• Linker flessibile di legame col

dominio catalitico

PUR esterasi (B):• PUR e dominio catalitico in

posizioni vicine• Dominio catalitico accede alla

superficie del PUR anche se questo è interamente saturato dall’enzima

Il gene della PUR esterasi di CA:• È lungo 1644 bp• Codifica un enzima di 548 AA• 30% di omologia con acetilcolin

esterasi (AChE) di Torpedo

Californica


• AChE di Torpedo è una esterasi con triade catalitica composta da Ser, Glu e His (Glu rimpiazza Asp)

• Vista l’omologia e la sovrapposizione di strutture, probabilmente anche PUR esterasi ha questo dominio catalitico.

• Nel gene della PUR esterasi ci sono tre regioni contenenti AA idrofobici

• Strutturalmente, probabilmente circondano il sito catalitico (in maniera simile a AChE)

• Quindi troppo enzima non inibisce la funzione.

• Analogie mancanti al confronto con PHA depolimerasi, per diversa attività e origine evolutiva.

1W75

Torpedo californica AChE

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1. Garte, S. et al. (2003) ‘Molecular epidemiology studies of

carcinogenic environmental pollutants’, Mutation

Research/Reviews in Mutation Research, 544(2–3), pp. 397–402.

doi: 10.1016/j.mrrev.2003.09.002.

2. Halden, R. U. (2010) ‘Plastics and Health Risks’, Annual Review of

Public Health, 31(1), pp. 179–194. doi:

10.1146/annurev.publhealth.012809.103714.

3. Hisano, T. et al. (2006) ‘The Crystal Structure of

Polyhydroxybutyrate Depolymerase from Penicillium funiculosum

Provides Insights into the Recognition and Degradation of

Biopolyesters’, Journal of Molecular Biology. Academic Press,

356(4), pp. 993–1004. doi: 10.1016/J.JMB.2005.12.028.

4. Kim, D. Y. and Rhee, Y. H. (2003) ‘Biodegradation of microbial and

synthetic polyesters by fungi’, Applied Microbiology and

Biotechnology, 61(4), pp. 300–308. doi: 10.1007/s00253-002-

1205-3.

5. Lenz, R. W. and Marchessault, R. H. (2005) ‘Bacterial polyesters:

Biosynthesis, biodegradable plastics and biotechnology’,

Biomacromolecules, 6(1), pp. 1–8. doi: 10.1021/bm049700c.

6. Müller, R. J., Kleeberg, I. and Deckwer, W. D. (2001)

‘Biodegradation of polyesters containing aromatic constituents’,

Journal of Biotechnology, 86(2), pp. 87–95. doi: 10.1016/S0168-

1656(00)00407-7.

7. Nakajima-Kambe, T. et al. (1999) ‘Microbial degradation of

polyurethane, polyester polyurethanes and polyether

polyurethanes’, Applied Microbiology and Biotechnology, 51(2),

pp. 134–140. doi: 10.1007/s002530051373.

8. National Geographic (2018) ‘Planet or Plastic’, National

Geographic.

9. Rujnić-Sokele, M. and Pilipović, A. (2017) ‘Challenges and

opportunities of biodegradable plastics: A mini review’, Waste

Management and Research, 35(2), pp. 132–140. doi:

10.1177/0734242X16683272.

10. Santerre, J. P. et al. (2005) ‘Understanding the biodegradation of

polyurethanes: From classical implants to tissue engineering

materials’, Biomaterials, 26(35), pp. 7457–7470. doi:

10.1016/j.biomaterials.2005.05.079.

11. Savelli, H. et al. (2017) ‘Solutions for global marine litter

pollution’, Current Opinion in Environmental Sustainability, 28,

pp. 90–99. doi: 10.1016/j.cosust.2017.08.009.

12. Tokiwa, Y. and Calabia, B. P. (2004) ‘Degradation of microbial

polyesters’, Biotechnology Letters, 26(15), pp. 1181–1189. doi:

10.1023/B:BILE.0000036599.15302.e5.

13. Ziccardi, L. M. et al. (2016) ‘Microplastics as vectors for

bioaccumulation of hydrophobic organic chemicals in the marine

environment: A state-of-the-science review’, Environmental

Toxicology and Chemistry, 35(7), pp. 1667–1676. doi:

10.1002/etc.3461.

A.A. 2018-2019

65

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