Багато пластикових виробів використовуються лише кілька хвилин або годин, але сам матеріал може залишатися в навколишньому середовищі десятиліттями або навіть століттями. Наразі дослідники вивчають інший підхід: пластмаси, розроблені таким чином, щоб розкладатися під час активації.
Ці матеріали, відомі як «живі пластмаси», містять сплячі мікроорганізми, здатні розкладати навколишній полімер. У дослідженні, опублікованому в журналі ACS Applied Polymer Materials, вчені представили версію пластика, який повністю розкладається за шість днів, не утворюючи мікропластику.
Чжуоцзюнь Дай, один з авторів статті, пояснює: "Усвідомлення того, що традиційні пластмаси зберігаються століттями, у той час, як багато сфер застосування, такі як упаковка, недовговічні, змусило нас запитати себе: чи можемо ми впровадити процес розкладання безпосередньо в життєвий цикл матеріалу?"
Перетворення мікроорганізмів на вбудовану систему утилізації
Деякі мікроорганізми природним чином виробляють ферменти, які розщеплюють довгі полімерні ланцюги на дрібніші фрагменти. Оскільки пластмаси виготовляються з полімерів, дослідники вивчають можливість застосування цих ферментів або мікроорганізмів, які їх виробляють, безпосередньо в пластикових матеріалах.
"Впровадження цих мікробів дозволило пластику фактично «оживати» і саморуйнуватися за командою, перетворюючи міцність із проблеми на програмовану характеристику", — пояснює Дай.
Раніше конструкції живого пластику часто залежали від одного ферменту, що обмежувало ефективність розщеплення матеріалу. Для покращення процесу Дай, Цзінь Ген, Дяньпен Ці та їх колеги модифікували Bacillus subtilis, щоб він виробляв два ферменти, що розщеплюють полімери, які працюють разом.
Перший фермент розрізає довгі полімерні ланцюги у випадкових точках, перетворюючи їх на коротші ділянки. Потім другий працює з кінців цих фрагментів, розщеплюючи їх далі на окремі мономірні будівельні блоки.
Повне розщеплення за шість днів
Дослідники об'єднали сплячі спори B. subtilis з полікапролактоном (полімером, що часто використовується в 3D-друку та деяких хірургічних шовних матеріалах). Збереження бактерій у формі спор захищало їх доти, доки команда не була готова розпочати процес розщеплення.
Отриманий живий пластик мав механічні властивості, аналогічні звичайним полікапролактоновим плівкам. Він залишався міцним та функціональним у нормальних умовах, що говорить про те, що додавання спор не призвело до значного послаблення матеріалу.
Для активації бактерій команда додала поживний бульйон, нагрітий до 50 градусів Цельсія (122 градуси за Фаренгейтом). Спори активізувалися і почали виробляти два ферменти. Протягом шести днів пластик повністю розклався на основні будівельні блоки.
Оскільки ферменти працювали послідовно, матеріал не просто розсипався на дрібніші пластикові фрагменти. Процес був досить ефективним, щоб запобігти утворенню мікропластику під час розкладання.
Натільний пристрій, який зникає
Щоб продемонструвати можливе практичне застосування, дослідники виготовили натільний пластиковий електрод з живого матеріалу. Пристрій працював як належить, а потім повністю розклався протягом двох тижнів після активації.
Результат показує, що живий пластик зрештою може бути використаний у продуктах, які повинні залишатися міцними протягом обмеженого часу, але не повинні зберігатися після утилізації.
Розширення застосування технології на інші види пластику
Наразі команда сподівається розробити метод, який активує бактеріальні спори у воді, де накопичується значна частина пластикового забруднення.
Хоча експерименти були зосереджені на одному полімері, дослідники вважають, що ту ж загальну стратегію можна адаптувати й для інших матеріалів, включаючи пластик, який широко використовується в одноразових виробах.
