باحثون صينيون يطورون "بلاستيكًا حيًا" يتحلل في ستة أيام

أُنجز هذا العمل من قِبل معهد هاربين للتكنولوجيا ومعاهد شنتشن للتكنولوجيا المتقدمة، التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم. قام الباحثون بتطوير المادة باستخدام بولي كابرولاكتون، المعروف اختصارًا بـ PCL. وهو بوليمر قابل للتحلل الحيوي يُستخدم بالفعل في الطباعة ثلاثية الأبعاد والخيوط الجراحية. قام الفريق بدمج أبواغ كامنة من بكتيريا العصوية الرقيقة (Bacillus subtilis) داخل هذا البوليمر. وقد تم تعديل هذه الأبواغ وراثيًا لإنتاج إنزيمات محللة للبلاستيك عند تنشيطها.

نُشرت الدراسة في مجلة ACS Applied Polymer Materials.

كيف تتم عملية التحلل

تتصرف هذه المادة كالبلاستيك العادي إلى أن يتم تنشيطها. يؤدي إضافة وسط غذائي إلى تنشيط الأبواغ. ومن ثم، تبدأ عملية إنزيمية من خطوتين. يقوم الإنزيم الأول بتقطيع سلاسل البوليمر الطويلة إلى أجزاء أقصر. ثم يقوم الإنزيم الثاني بتفكيك هذه الأجزاء إلى مكوناتها الكيميائية الأساسية. يمنع هذا التسلسل التحلل غير الكامل الذي ينتج عنه الجزيئات البلاستيكية الدقيقة.

استغرق التحلل الكامل ستة أيام في الدراسة. ينطبق هذا الجدول الزمني بعد التنشيط المتعمد، وليس من لحظة التصنيع. يحتفظ البلاستيك بقوته الميكانيكية أثناء الاستخدام العادي. هذا هو الهدف من التصميم.

كما أنتج الباحثون قطباً كهربائياً بلاستيكياً قابلاً للارتداء من نفس المادة. وقد عمل كما هو متوقع أثناء الاستخدام، ثم تعطل بعد حوالي أسبوعين.

لماذا تُعدّ الجسيمات البلاستيكية الدقيقة ذات أهمية بالغة؟

يتحلل البلاستيك التقليدي ببطء وبشكل غير متساوٍ، مما يؤدي إلى تراكم جزيئات البلاستيك الدقيقة في التربة والمجاري المائية والنظم البيئية البحرية. وقد تم رصد هذه الجزيئات الآن في دم الإنسان وأنسجة الرئة والسلاسل الغذائية على مستوى العالم. وقد وثّقت جهات عديدة، من بينها برنامج الأمم المتحدة للبيئة، حجم التلوث بشكل جيد.

تتجاوز مادة جراثيم البولي كابرولاكتون (PCL) هذه المشكلة تمامًا. ولأن العملية الإنزيمية تتم على مرحلتين، فإن البوليمر لا يتوقف عند مرحلة التجزئة، بل يتطور إلى وحدات بناء جزيئية. أما مسألة ما إذا كانت هذه الوحدات البناءية غير ضارة في جميع السياقات البيئية، فهي مسألة لم تتناولها المادة المصدرية، ولا يمكن لـ"أخبار حلول المناخ" التحقق من ذلك بشكل مستقل.

لقد سعى مجال البيولوجيا التركيبية لسنوات إلى تطوير مواد ذاتية التحلل. وتُعد هذه الدراسة من أبرز الأمثلة الملموسة على نجاح هذا المفهوم على مستوى المواد، وذلك من خلال جدول زمني محدد وآلية منشورة.

الفجوة بين نتائج المختبر والتطبيق على نطاق واسع

تقتصر النتائج على ظروف المختبرات الخاضعة للرقابة. تتطلب آلية التنشيط وسطًا مغذيًا، وهو أمر يمكن التحكم فيه في بيئات التخلص الصناعية أو الطبية. أما كيفية عمل هذا المحفز في نفايات المستهلكين، حيث تختلف ظروف التخلص اختلافًا كبيرًا، فليست واضحة تمامًا.

يدرس فريق البحث حاليًا إمكانية تطبيق هذا النهج على أنواع أخرى من البوليمرات، كما يبحث في إمكانية تكييفه مع البيئات المائية. يُعدّ التلوث البلاستيكي في الأنهار والمحيطات من المشكلات الصعبة التي يصعب معالجتها بمجرد دخول المواد إلى هذه الأنظمة. من شأن وجود بلاستيك قابل للتنشيط والتحلل الكامل في الماء أن يُغيّر حسابات التخلص منه بشكل كبير. تشير المصادر إلى هذا التوجه البحثي، ولم تُنشر أي نتائج منه حتى الآن.

يُعدّ البولي كابرولاكتون (PCL) بوليمرًا متخصصًا نسبيًا في الوقت الراهن. فهو قابل للتحلل الحيوي في ظل الظروف المناسبة، ولكنه لا يُمثّل سوى نسبة ضئيلة من الإنتاج العالمي للبلاستيك. أما أنواع البلاستيك السائدة من حيث الحجم، بما في ذلك البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبولي إيثيلين تيريفثالات (PET)، فتُمثّل تحديًا كيميائيًا مختلفًا. ويبقى السؤال مطروحًا حول إمكانية تطبيق التحلل القائم على الأبواغ على هذه المواد.

أين يقع هذا الموضوع في النقاش الأوسع حول البلاستيك؟

تجاوز الإنتاج العالمي للبلاستيك 400 مليون طن في عام 2022، وفقًا لمنظمة التعاون الاقتصادي والتنمية. ولا تزال معدلات إعادة التدوير منخفضة. وينتهي المطاف بمعظم البلاستيك في مكبات النفايات أو محارقها أو البيئة. ويتزايد الضغط التنظيمي، مع استمرار مفاوضات معاهدة الأمم المتحدة العالمية بشأن البلاستيك حتى منتصف عام 2025.

لا يتناول بحث PCL جانب الإنتاج في هذه المعادلة، بل يركز على التخلص من النفايات. وهذا التمييز مهم للمستثمرين وصناع السياسات المهتمين بمجال علوم المواد. فحلول نهاية عمر المنتج لا تقلل من حجم الإنتاج، ولكنها قد تُخفف، من حيث المبدأ، من الأثر البيئي للمنتجات المصنعة بالفعل.

تُظهر الدراسة المنشورة برهانًا على صحة المفهوم. تتحلل المادة بالكامل، ضمن إطار زمني محدد، وبآلية معروفة. ويُعدّ تطبيق هذا المفهوم على نطاق واسع في خطوط الإنتاج وأنظمة إدارة النفايات والأطر التنظيمية تحديًا منفصلًا. ولم يدّعِ الباحثون خلاف ذلك.

ما يُظهره هذا العمل هو أن تصميم مواد تختفي عند الطلب أمر ممكن تقنياً. وهذه نقطة انطلاق مختلفة عما كان عليه الحال في معظم القرن الماضي.