NEWS

המחקר הובל על ידי ד"ר אינס צוקר, ראשת המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית באוניברסיטת תל אביב והדוקטורנט אנדריי איתן רובין מביה"ס פורטר ללימודי הסביבה. כמו כן השתתפו במחקר הדוקטורנטית רימה גנאים מביה"ס פורטר ותלמידת המחקר שירי לוי מהמחלקה למדע והנדסה של חומרים. המאמר פורסם בכתב העת Science of the Total Environment.

"אנחנו עוסקים במחקר על מיקרופלסטיק וננופלסטיק מאז הקמת המעבדה," אומרת ד"ר צוקר. "הערכת נוכחות חלקיקי פלסטיק גורמת נזק לסביבה, לאקלים, לבעלי חיים, ולעתים גם לבריאותם של בני אדם, והנושא נמצא בחזית המחקר העולמי היום. אולם, מרבית המחקרים מעריכים את הסיכון הכרוך בנוכחות מיקרופלסטיק בפריזמה צרה - על פי אומדן יחיד שבחרו החוקרים. במחקר שלנו ביקשנו להגיע להערכה מדויקת יותר על ידי שילוב של 5 מדדים שונים: שכיחות הימצאותם של חלקיקי הפלסטיק, הנטייה שלהם להתפרק (כתוצאה מהתחמצנות או שבירה מכנית) , פוטנציאל חמצון המים, ורעילות."

מה הפלסטיק הכי נפוץ?

בשלב הראשון סקרו החוקרים 50 מאמרים מדעיים שקבעו אילו סוגי מיקרו-פלסטיק מצויים בדגימות מי ים מכל העולם. על סמך הסקירה הם בחרו להתמקד ב-6 סוגי פולימרים – המרכיב הבסיסי של הפלסטיק. ראשית נבחרו 3 פולימרים המיוצרים מדלקי מאובנים מזהמים:  פוליאתילן – הנפוץ ביותר, שנמצא למשל בשקיות פלסטיק; פוליפרופילן – ממנו עשויים בין היתר בקבוקי שמפו וקופסאות אוכל; ופוליסטירן – הבסיס של קלקר וכלים חד-פעמיים. מולם נבדקו 3 סוגי פולימרים 'ירוקים' יחסית: PET – הפלסטיק ממנו עשויים בקבוקי שתייה, הכולל 25% או 50% רכיב ממוחזר; ו-PLA – הפולימר היחיד המבוסס על עמילן תירס, שאמור להוות חלופה טבעית ומתחדשת לדלקי מאובנים. על סמך סקירת הספרות בדקו החוקרים את הפרמטר הראשון במחקר – תפוצת סוגי המיקרו-פלסטיק השונים בסביבה הימית. הם מצאו כי חלקיקי פוליאתילן הם הנפוצים ביותר.

בהמשך הוצבו דגימות פלסטיק העשויות מ-6 סוגי הפולימרים על גג של בניין בפקולטה להנדסה באוניברסיטה, בתוך מיכלים של תמיסה המדמה מי ים, למשך תקופה של שנה. החוקרים מסבירים כי כך הושגה חשיפה ממושכת וכפולה – הן לתנאי הים והן לפגעי מזג האוויר – המדמה את החשיפה של פסולת פלסטיק באוקיאנוסים.

חלקיקים קטנים - מסוכנים יותר

במהלך ובתום השנה נבחנו דגימות הפלסטיק כדי למדוד 2 פרמטרים נוספים: רמת ההתחמצנות, שהופכת את הפלסטיק לשברירי יותר, והפוטנציאל לשבירה מכנית. החוקרים מסבירים: "שתי התופעות גורמות לפלסטיק להתפרק לחלקיקים קטנים יותר ויותר – מיקרו-פלסטיק ואפילו ננו-פלסטיק. ככל שהחלקיקים קטנים יותר כך עולה פוטנציאל הרעילות שלהם לבעלי חיים וגם לאדם, מכיוון שהם מסוגלים לעבור מחסומים רבים יותר בתוך הגוף, לחדור למחזור הדם ואף להגיע למוח." המחקר העלה כי פוליפרופילן מתחמצן יותר משאר הפולימרים, ואילו פוליסטירן נשבר יותר מהאחרים, לחלקיקים הקטנים ביותר, בעקבות הפעלת כוחות מכניים.

בנוסף לקחו החוקרים דגימות מהתמיסות שבהן הושרו הפולימרים השונים, כדי לבחון שינויים בחומציות המים עקב הבליה הממושכת. אנדריי רובין מסביר: "לעלייה בחומציות מי הים יש משמעות רבה לשינויי האקלים. באופן טבעי, פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה מתמוסס במי הים, ומוטמן במים בצורה של מלח המכונה סידן פחמתי (קלציום קרבונט). עלייה בחומציות מי הים פוגעת ביכולתם של האוקיינוסים לקלוט ולקבע CO2, כך שכמות גדולה יותר נותרת באטמוספירה ומשפיעה באופן שלילי על שינויי האקלים." המחקר מצא כי הפולימר פוליפרופילן מעלה את חומציות המים בשלושה סדרי גדול – יותר מכל פולימר אחר שנבדק בניסוי.

כעת סיננו החוקרים את התמיסות כדי להפריד אותן לשניים: חלקיקי המיקרו-פלסטיק המוצקים שנותרו בהן, והמיצוי הנוזלי – התמיסה שאליה זלגו בעיקר התוספים ששולבו בפלסטיק בעת ייצורו כדי להקנות לו תכונות רצויות כמו צבע, גמישות או חוזק. במעבדה למיקרוביולוגיה נחשפו חיידקים ימיים לשני תוצרי הסינון – המוצק והנוזל, כדי לבחון את מידת רעילותם. לדברי רובין "חיידקים הם היצורים הראשוניים בשרשרת המזון הימית, ופגיעה בהם עלולה לערער את מארג המזון כולו. לכן חשוב כל כך להבין אם, כיצד, ובאיזו מידה הם נפגעים מסוגים שונים של פלסטיק."

המחקר מצא שחלקיקי הפלסטיק המוצקים גרמו לחיידקים נזק מועט אם בכלל, אך המיצוי – אותם כימיקלים שזולגים לסביבה כתוצאה מבליה של הפלסטיק – התגלה כרעיל ביותר, וגרם להאטה משמעותית בקצב החלוקה הטבעי של החיידקים. החוקרים הופתעו לגלות כי החומר הרעיל ביותר לחיידקים הוא דווקא המיצוי של PLA המיוצר מעמילן תירס. ממצא זה מעיד, לדבריהם כי לא די בפיתוח פולימרים טבעיים שיחליפו דלקי מאובנים בייצור פלסטיק. חשוב לשים דגש גם על הפחתה או החלפה של התוספים הכימיים המשולבים בכל מוצרי הפלסטיק.

למקד את הזרקור בכיוון הנכון

לאחר שהתקבלו הנתונים, הוענק לכל אחד מ-6 הפולימרים ציון עבור כל אחד מ-5 הפרמטרים – תפוצה, התחמצנות, שבירות מכנית, החמצת מי ים, ורעילות לחיידקים ימיים. כל הציונים שוקללו כדי לדרג את מידת הנזק הסביבתי של סוגי המיקרו-פלסטיק השונים. השקלול העלה כי הפולימר המסוכן ביותר לסביבה הוא פוליפרופילן, אשר כאמור משמש לייצור קופסאות אוכל, בקבוקי שמפו, וכד'. כמו כן נמצא כי PLA, הפולימר העשוי מעמילן תירס, הוא הבטוח ביותר מבחינה סביבתית.

ד"ר צוקר מסכמת: "פסולת פלסטיק מהווה כיום איום סביבתי עצום, ובאוקיאנוסים כבר נוצרו 5 איי פלסטיק ששטחם הכולל מגיע ככל הנראה למיליוני קמ"ר. מכיוון שאין זה מעשי כיום להפסיק לחלוטין את ייצור הפלסטיק והשימוש בו, חשוב לדעת במה להתמקד כל עוד לוקחים בחשבון מכלול של פרמטרי הסיכון – וזו המטרה העיקרית של מחקר זה. הממצאים שלנו נועדו לסייע למקבלי החלטות ולקובעי מדיניות הנאבקים בתופעה, וכן לחוקרים המחפשים פתרונות, למקד את הזרקור בכיוון הנכון. ספציפית מצאנו שפוליפרופילן הוא הפולימר המסוכן ביותר לסביבה, ואנו ממליצים לשים דגש על מוצרי פלסטיק מסוג זה."

המחקר נערך במעבדתם של פרופ' שאול ילובסקי וד"ר ניר שדה ובהובלת צוות חוקרים מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז: Dr. Malikarjuna Rao Puli, לשעבר פוסטדוקטונט בהנחייתו של פרופ' שאול ילובסקי ו-Purity Muchoki, סטודנטית לד״ר בהנחיה משותפת של פרופ' ילובסקי וד"ר ניר שדה. למחקר היו שותפים גם סטודנטים ופוסטדוקטורנטים נוספים מבית הספר למדעי הצמח באוניברסיטת תל אביב, חוקרים מאוניברסיטת בן גוריון וחוקר מאוניברסיטת אורגון בארה״ב. המחקר פורסם בכתב העת האקדמי PNAS.

הקשר בין ההתחממות הגלובלית ליעילות תהליך הפוטוסינתזה

החוקרים מסבירים כי לאור ההתחממות הגלובלית והצמצום במקורות מים שפירים יש ביקוש הולך ועולה לגידולים חקלאים שיצרכו פחות מים ללא שתהיה פגיעה ביבול. יחד עם זאת, באופן טבעי, וכיוון שגידולים חקלאיים ניזונים ממים כדי לגדול ולהתפתח, ישנו קושי רב לאתר זני צמחים מתאימים.

צמחים מאדים מים בתהליך הדיות (טרנספירציה), וקולטים פחמן דו חמצני, שאותו הם הופכים לסוכר בתהליך הפוטוסינתזה, דרך פתחים בעלה הנקראים פיוניות. שני תהליכים אלו: דיות המים וקליטת פחמן דו חמצני מתרחשים בו זמנית דרך פתחי הפיוניות. הפיוניות בעלים הם פתחים שנפתחים ונסגרים ועל ידי כך הצמח שולט על משק המים שלו.

החוקרים מוסיפים כי בתנאים של יובש, הצמח סוגר את הפיוניות ועל ידי כך מאבד פחות מים. הבעיה היא, שבגלל הצימוד בין הדיות (איוד המים) לקליטת הפחמן הדו חמצני, הסגירה של הפיוניות גורמת לירידה בכמות הפחמן הדו חמצני שנקלט בצמח. כאשר צמחים קולטים פחות  פחמן דו חמצני יש ירידה בפוטוסינתזה שכתוצאה ממנה הצמחים מיצרים פחות סוכר. הצמחים זקוקים לסוכר שנוצר בפוטוסינתזה כמקור לאנרגיה  ולכן ירידה בפוטוסינתזה פוגעת בגדילה של צמחים.

בצמחי יבול, הירידה בפוטוסינתזה מתבטאת בירידה בכמות היבול ואיכותו. בעגבנייה למשל הפגיעה ביבול באה לידי ביטוי בירידה במספר הפירות ומשקלם ובכמות הסוכר בפרי. זאת אומרת שיש פגיעה הן בכמות הפירות והן באיכות שלהם, שכן פירות עם תכולת סוכר נמוכה יותר יהיו פחות טעימים ומזינים.

^{מימין: פרופ' שאול ילובסקי, פוריטי מוצ'וקי וד"ר ניר שדה}

שינינו את שעות הפתיחה של הפיוניות

במסגרת המחקר הנוכחי, החוקרים יצרו שינוי בעגבנייה בעזרת עריכה גנטית בשיטת CRISPR בגן שנקרא ROP9. חלבוני ה ROP מתפקדים כמתגים שנמצאים במצב פעיל או לא פעיל.

"גילינו שפגיעה בפעילות של ה-ROP9 (כאשר הם אינם פעילים), גורמת לסגירה חלקית של הפיוניות במיוחד בשעות הצהרים כאשר קצב איבוד המים מהצמחים בתהליך הדיות הוא הגבוה ביותר. לעומת זאת בשעות הבוקר ואחר הצהרים כאשר קצב הדיות נמוך יותר לא היה הבדל משמעותי בקצב אובדן המים בהשוואה בין צמחי ביקורת לצמחים שפגועים ב ROP9", מסביר פרופ' ילובסקי. "בגלל שהפיוניות היו פתוחות בשעות הבוקר ואחר הצהרים הצמחים יכלו לקלטו מספיק פחמן דו חמצני ולא הייתה ירידה בפוטוסינתזה גם בשעות הצהרים, אשר בהן הפיוניות סגורות יותר בצמחים שפגועים ב ROP9", הוא מוסיף.

על מנת לבדוק מה ההשפעה של הפגיעה ב ROP9 על היבול החוקרים עשו ניסוי שדה עם מאות צמחים. הניסוי  הראה שלמרות שהצמחים שפגועים ב ROP9 מאבדים פחות מים בתהליך הדיות אין פגיעה בפוטוסינתזה, בכמות היבול ובאיכותו (כמות הסוכר בפירות). כמו כן, המחקר זיהה מנגנון חדש ומפתיע לבקרה על הפתיחה והסגירה של הפיוניות שקשור לרמה של חומרים מחמצנים בפיוניות ולכן יש לו היבטים חשובים מאוד גם למדע הבסיסי.

"יש דמיון רב בין ה ROP9 מעגבנייה לבין חלבוני ROP מצמחי יבול אחרים כמו פלפל, חציל וגם חיטה. לפיכך, ייתכן והתגליות שלנו המתוארות במאמר יוכלו להוות בסיס לפיתוח צמחי יבול נוספים בעלי יעילות נצילות מים משופרת ולהבנה מעמיקה יותר של הקרה על הסגירה והפתיחה של פיוניות", מסכם ד"ר שדה.