पर्यावरणस्नेही लाकूड!

आजच्या औद्योगिक युगातली एक महत्त्वाची गरज म्हणजे कागद. लिखाणासाठी किंवा छपाईसाठी वापरला जाणारा कागद, वेष्टणासाठी वापरला जाणारा कागद, नॅपकिन म्हणून वापरला जाणारा कागद… अशा वेगवेगळ्या स्वरूपात कागदाचा वापर केला जातो. मात्र या कागदनिर्मितीच्या प्रक्रियेदरम्यान, लाकडाच्या लगद्यातील काही पदार्थ वेगळे करून काढून टाकावे लागतात. त्यासाठी ज्या रासायनिक क्रिया पार पाडाव्या लागतात, त्यांत घातक रसायनांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. तसंच या क्रिया पार पाडण्यासाठी मोठ्या प्रमाणावर इंधनाचाही वापर करावा लागतो. या इंधनाच्या ज्वलनातून, तापमानवाढीला कारणीभूत ठरणाऱ्या कार्बन डायऑक्साइडची मोठ्या प्रमाणावर निर्मिती होते. या सर्वांमुळे पर्यावरणावर होणारा प्रतिकूल परिणाम जर कमी करायचा असला तर, ज्या लाकडाच्या लगद्यापासून कागदाची निर्मिती केली जाते, त्या लाकडाचे गुणधर्म बदलायला हवेत. दुसऱ्या शब्दांत सांगायचं तर, ते लाकूड पर्यावरणस्नेही असायला हवं. लाकडाला पर्यावरणस्नेही स्वरूप देण्याचा असाच एक यशस्वी प्रयत्न, अमेरिकेतल्या नॉर्थ कॅरोलिना स्टेट युनिव्हर्सिटी या विद्यापीठातील डॅनिएल सुलीस आणि त्यांच्या इतर सहकाऱ्यांनी केला आहे. पॉपलर वृक्षांवरचं त्यांचं हे संशोधन, ‘सायन्स’ या शोधपत्रिकेत अलीकडेच प्रसिद्ध झालं आहे.

कागद हा सेल्यूलोज या सेंद्रिय रसायनाच्या तंतूंपासून बनलेला असतो. लाकडात मोठ्या प्रमाणात आढळणारं सेल्यूलोज हे सेंद्रिय रसायन, कार्बोहायड्रेट या रासायनिक गटात मोडतं. या सेल्यूलोजचे तंतू लाकडात लिग्निन या रसायनाद्वारे एकमेकांशी जखडलेले असतात. हे लिग्निन म्हणजे एक बहुवारिक आहे. कागदाच्या निर्मितीदरम्यान, लाकडाच्या लगद्यातून हे लिग्निन जास्तीत जास्त प्रमाणात काढून टाकावं लागतं. लिग्निन काढून टाकल्यानंतर, उर्वरित लगद्यापासून कागद बनवला जातो. सर्वसाधारणपणे, लाकडातलं लिग्निनचं प्रमाण सुमारे पंचवीस टक्क्यांच्या आसपास असतं, तर सेल्यूलोज व तत्सम कार्बोहायड्रेट पदार्थांचं प्रमाण सुमारे सत्तर टक्क्यांच्या आसपास असतं. लाकडाच्या लगद्यातलं हे लिग्निन वेगळं करणं, ही कागदाच्या निर्मितीतली एक महत्त्वाची पायरी आहे. लाकडातलं लिग्निनचं प्रमाण कमी करता आलं तर, कागदनिर्मितीसाठी लागणाऱ्या रसायनांची गरज कमी होईल, तसंच कागदनिर्मितीला लागणाऱ्या इंधनाचीही गरज कमी होईल. कमी प्रमाणात लिग्निन असणारं असं लाकूड, कागद उद्योगाच्या दृष्टीनं पर्यावरणस्नेही ठरू शकेल. डॅनिएल सुलीस आणि त्यांच्या इतर सहकाऱ्यांनी आपलं संशोधन याच उद्देशानं केलं असून, ते पॉपलर वृक्षांच्या ‘पॉप्युलस ट्रिकोकार्पा’ या जातीवर केलं आहे.

वृक्षाचे गुणधर्म हे त्यातील जनुकांवर अवलंबून असतात. त्यामुळे वृक्षात योग्य ते जनुकीय बदल घडवून आणल्यास, वृक्षाच्या लाकडातलं लिग्निनचं प्रमाण कमी करणं शक्य आहे. असे प्रयत्न पूर्वी केलेही गेले आहेत, मात्र ते प्रयत्न मर्यादित प्रमाणातच यशस्वी ठरले आहेत. हे सर्व प्रयत्न मुख्यतः एकावेळी एकेका जनुकातील बदलांद्वारे केले गेले. डॅनिएल सुलीस आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी मात्र, पॉपलर वृक्षात एकाचवेळी अनेक जनुकीय बदल घडवून आणले व त्यामुळे लिग्निनचं प्रमाण लक्षणीय प्रमाणात घटवणं त्यांना शक्य झालं. पॉपलर वृक्षामध्ये घडवून आणता येणाऱ्या असंख्य जनुकीय बदलांपैकी, लिग्निन कमी करण्याच्या दृष्टीनं कोणते जनुकीय बदल उपुयक्त ठरतील, हे या सशोधकांनी ‘मशिन लर्निंग’ या संगणकीय पद्धतीवर आधारलेल्या एका प्रारूपाद्वारे माहीत करून घेतलं. या पद्धतीत, योग्य ती माहिती पुरवून संगणकाला प्रथम प्रशिक्षित केलं जातं, त्यानंतर या प्रशिक्षित संगणकाकडून पुढील भाकितं करून घेतली जातात. संगणकाद्वारे केल्या गेलेल्या अशा भाकितांचा, या संशोधकांनी आपल्या प्रयोगांसाठी आधार घेतला.

लाकूड पर्यावरणस्नेही होण्यासाठी, या संशोधकांना लाकडातलं लिग्निनचं प्रमाण कमी करायचं होतंच; परंतु त्याचबरोबर लाकडातील सेल्यूलोज व तत्सम कार्बोहायड्रेटचं प्रमाणही वाढवायचं होतं. मात्र हे घडून येताना, त्यांना त्या झाडाची वाढ खुंटू द्यायची नव्हती आणि झाडाच्या इतर गुणधर्मांवर परिणाम होऊ द्यायचा नव्हता. हे सर्व साध्य करण्यासाठी, डॅनिएल सुलीस आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी लिग्निनच्या निर्मितीत सहभाग असणाऱ्या, एकूण एकवीस जनुकांवर आपलं लक्ष केंद्रित केलं. या जनुकांत बदल घडवून आणल्यास, पॉपलर वृक्षाच्या विविध गुणधर्मांत कोणते बदल घडवून येण्याची शक्यता आहे, ते संगणकीय प्रारूपाकडून जाणून घेतलं. या माहितीतून त्यांना एकाच वेळी घडवून आणायच्या विविध जनुकीय बदलांचे, सुमारे सत्तर हजार वेगवेगळे मार्ग उपलब्ध झाले. या मार्गांतील ३४७ मार्ग हे, उद्दिष्ट साध्य करण्याच्या दृष्टीनं अनुकूल स्वरूपाचे मार्ग होते. या ३४७ मार्गांपैकी बहुतेक सर्व मार्गांत प्रत्येकी किमान तीन, तर कमाल सहा वेगवेगळ्या जनुकीय बदलांचा समावेश होता. यांतील सर्वात अनुकूल असे सात मार्ग, प्रत्यक्ष प्रयोगासाठी निवडण्यात आले. या सात मार्गांवर आधारलेल्या, पॉपलर वृक्षाच्या एकूण १७४ वंशांची या प्रयोगासाठी निवड करण्यात आली.

पॉपलर वृक्षाचे हे १७४ वेगवेगळे वंश निर्माण करण्यासाठी, जंगली पॉपलरमध्ये संगणकानं सुचवल्यानुसार वेगवेगळे जनुकीय बदल घडवून आणण्याची गरज होती. यासाठी, क्रिस्पर हे आधुनिक तंत्रज्ञान वापरून या वृक्षांच्या जनुकांतील डीएनए रेणूंमध्ये योग्य ते बदल केले गेले. त्यानंतर या बदलांमुळे घडून येणारे परिणाम प्रत्यक्षात येण्यासाठी, ही झाडं सहा महिन्यांसाठी हरितगृहात, नियंत्रित परिस्थितीत वाढू दिली. या जनुकीय बदल केलेल्या पॉपलरबरोबरच, तुलनेसाठी हरितगृहात मूळच्या जंगली पॉपलरचीही लागवड केली गेली. सहा महिन्यांंच्या कालावधीनंतर, या सर्व झाडांचा तपशीलवार अभ्यास केला गेला. झाडांची उंची, त्यांच्या खोडाची जाडी, इत्यादींचं मापन केलं गेलं. या झाडांच्या लाकडाची घनता, त्याची आर्द्रता, अशा भौतिक गुणधर्मांचाही अभ्यास केला गेला. या लाकडातील लिग्निन, कार्बोहायड्रेट, अशा रासायनिक घटकांचं प्रमाण रासायनिक विश्लेषणाद्वारे अभ्यासण्यात आलं. त्यानंतर जनुकीय बदल केले गेलेले पॉपलर आणि जंगली पॉपलर, यांच्या या सर्व गुणधर्मांची आणि त्यांच्यातील या रासायनिक घटकांची एकमेकांशी तुलना केली गेली. या सर्व अभ्यासातून निघालेले निष्कर्ष हे उत्साहवर्धक होते!

जनुकीय बदल केलेल्या काही झाडांतील लिग्निनचं प्रमाण घटून निम्म्यावर आलं होतं; तर सेल्यूलोज व तत्सम कार्बोहायड्रेटचं प्रमाण वाढून, कार्बोहायड्रेट आणि लिग्निन यांच्या एकमेकांच्या सापेक्ष प्रमाणात (गुणोत्तरात) सुमारे सव्वादोनपट वाढ झाली होती. हे घडताना, या झाडांची उंची व त्यासारख्या इतर गुणधर्मांवर प्रतिकूल परिणाम झाल्याचं दिसून आलं नाही. यांतील अनेक झाडं या सहा महिन्यांच्या काळात, जंगली पॉपलरप्रमाणेच तीन-साडेतीन मीटरपर्यंत उंच झाली होती. तसंच जनुकीय बदल केलेल्या वृक्षांच्या लाकडाची घनता, आर्द्रता, ताणलं जाण्याची क्षमता, इत्यादी गुणधर्मांतही प्रतिकूल फरक पडलेला नव्हता. या सर्व अनुकूल निष्कर्षांनंतर या संशोधकांनी यांतील निवडक वृक्षांच्या खोडापासून लगदा बनवून, त्यातून लिग्निन वेगळं करण्याची रासायनिक प्रक्रियाही करून पाहिली. लिग्निन काढून टाकल्यानंतर मागे राहणाऱ्या लगद्यात, सेल्यूलोजच्या तंतूंचं प्रमाण जवळपास चाळीस टक्के अधिक असल्याचं, या प्रक्रियेनंतर दिसून आलं.

जनुकीय बदल केल्या गेलेल्या पॉपलर वृक्षांच्या या लाकडांचा वापर केला, तर कागदाचं उत्पादन वाढणार असल्याचं हे प्रयोग स्पष्टपणे दर्शवतात. लाकडातलं लिग्निनचं प्रमाण कमी झाल्यानं, कागद तयार करण्यासाठी लागणाऱ्या रसायनांचं प्रमाणही कमी असणार आहे, तसंच प्रक्रियेसाठी लागणाऱ्या इंधनाचा वापरही कमी होणार आहे. डॅनिएल सुलीस आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी केलेल्या गणितानुसार, कागदाच्या उत्पादनादरम्यान निर्माण होणाऱ्या हरितगृह वायूंचं प्रमाण यामुळे वीस टक्क्यांनी कमी होणार आहे. या सर्व कारणांमुळे, डॅनिएल सुलीस आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी जनुकीय बदलांद्वारे निर्माण केलेल्या पॉपलर वृक्षांचं हे लाकूड, जंगली पॉपलर वृक्षाच्या लाकडाच्या तुलनेत पर्यावरणस्नेही ठरणार आहे.

डॅनिएल सुलीस आणि त्यांचे सहकारी आता आपल्या पुढच्या प्रयोगांत, जनुकीय बदल केलेल्या या पर्यावरणस्नेही पॉपलर वृक्षांच्या लागवडीचा आजूबाजूच्या इतर वृक्षांवर काही परिणाम होतो का, हे अभ्यासणार आहेत. त्यासाठी या जनुकीय बदल केलेल्या पॉपलर वृक्षांची लागवड मोठ्या क्षेत्रफळावर केली जाणार आहे. याबरोबरच या संशोधकांकडून, कागदनिर्मितीसाठी वापरल्या जाणाऱ्या, स्प्रूस, पाइन, इत्यादी झाडांच्या पर्यावरणस्नेही आवृत्त्या निर्माण करण्याचा प्रयत्नही केला जाणार आहे. लिग्निनच्या निर्मितीमागच्या जैविक क्रिया या सर्वच वृक्षांत समान असल्यानं, हे प्रयत्न यशस्वी ठरण्याची खात्री या संशोधकांना वाटते आहे.

(छायाचित्र सौजन्य – Chenmin Yang, NC State University / Dave Powell, USDA Forest Service )