Výzkumníci z Institutů pokročilých technologií v Šen-čenu vyvinuli plast, který uvnitř nese živé bakterie. Po aktivaci se tyto bakterie probudí a spotřebují materiál zevnitř. Výsledkem je jeho úplná degradace, bez jakýchkoli zbytků mikroplastů.
Studie byla publikována v časopise ACS Applied Polymer Materials. Popisuje polykaprolaktonovou matrici s vloženými dormantními sporami uměle vytvořeného Bacillus subtilis. Za normálních podmínek se materiál chová jako standardní plast. Po aplikaci spouště se spory aktivují.
Jak funguje bakteriální systém
Návrh se opírá o dva bakteriální kmeny pracující v sekvenci. První produkuje enzym, který štěpí dlouhé polymerní řetězce na kratší fragmenty. Tím se vytvářejí nové vstupní body v celém materiálu. Druhý enzym poté napadá tyto fragmenty od jejich konců. Společně oba kmeny urychlují rozklad, dokud nezůstanou pouze malé molekuly.
Tento dvoustupňový mechanismus řeší dobře zdokumentovaný problém s mnoha biologicky rozložitelnými plasty. Standardní biologicky rozložitelné plasty se často fragmentují, než zcela zmizí. Tyto fragmenty přetrvávají v půdě a vodě jako mikroplasty. Materiál ze Šen-čenu se podle výzkumného týmu rozložil zcela, aniž by zanechal takové zbytky.
Polykaprolakton je relativně snadno degradovatelný polyester. Již se objevuje ve filamentech pro 3D tisk a rozpustných chirurgických stezích. Je to poněkud odlišné od polyethylenu, polypropylenu a PET, které dominují globálnímu plastovému odpadu. Přesto experiment přinesl užitečný základní výsledek. Fólie se sporami si zachovala mechanické vlastnosti srovnatelné se standardním polykaprolaktonem. Přidání živých bakterií materiál během jeho aktivní životnosti neoslabilo.
Aktivace stále vyžaduje laboratorní podmínky
Spouštěcí podmínky zůstávají přísně kontrolovány. V experimentu vědci umístili plast do teplého živného vývaru o teplotě přibližně 50 stupňů Celsia. Spory se poté aktivovaly a fólie se do šesti dnů zcela rozpadla.
Tyto podmínky se v přírodním prostředí značně liší. Odhozený kus živého plastu by se nerozložil na skládce, v řece ani v kompostéru. Aktivace vyžaduje záměrný zásah. Toto omezení omezuje krátkodobé využití, ale také snižuje jeden problém: předčasnou degradaci během používání nebo skladování.
Tým také vyrobil z živého plastu nositelnou elektrodu. Ta detekovala svalové signály z lidské paže. Po spuštění se elektroda degradovala přibližně za dva týdny. Měděné obvody zůstaly neporušené. Toto oddělení rozložitelného polymeru od znovuzískatelného kovu ukazuje na potenciální přístup k manipulaci s jednorázovou elektronikou, kde smíšené materiály v současné době komplikují recyklaci.
Jaké je toto místo v širším výzkumném poli
Práce z univerzity v Šen-čenu čerpá z rostoucího množství výzkumů v oblasti syntetické biologie. Studie z roku 2019 v časopise Nature Chemical Biology ukázala, že spory Bacillus subtilis mohou přežít uvnitř 3D tištěných materiálů a reagovat na povrchové změny, jako jsou praskliny. Novější výzkum v časopise Nature Chemical Engineering zjistil, že živé plasty na bázi spor mohou odolávat vysokým teplotám a organickým rozpouštědlům. Toto zjištění je relevantní pro průmyslová zpracovatelská prostředí, kde standardní biologicky odbouratelné materiály často selhávají.
Prototyp ze Šen-čenu je pouze důkazem koncepce. Zatím se nezabývá plasty, které tvoří největší podíl globálního odpadu. Rozšíření přístupu na komoditní polymery a vývoj praktických aktivačních systémů mimo laboratoř bude vyžadovat další značné úsilí.
Pro investory a tvůrce politik, kteří sledují znečištění plasty, je relevantní otázkou, zda se degradace na požádání může nakonec integrovat do návrhu produktů ve velkém měřítku. Produkty s krátkou životností jsou hlavním zdrojem kontaminace životního prostředí. Patří mezi ně zdravotnické prostředky, nositelné senzory, zemědělské fólie a jednorázové obaly. Materiál, který zůstává během používání stabilní a poté se na pokyn zcela rozloží, by mohl snížit náklady na likvidaci na konci životnosti a regulační závazky.
Výzkum zatím na tuto otázku neposkytuje odpověď. Co ale poskytuje, jsou důkazy o tom, že živé materiály se mohou zcela rozložit, během používání si zachovat funkční vlastnosti a být zabudovány do elektronických aplikací. Každý z těchto výsledků byl dříve nejistý.
Odborníci na klima a biodiverzitu již dlouho označují kontaminaci mikroplasty za zhoršující se environmentální riziko. Fragmenty polymerů se hromadí v mořských ekosystémech, zemědělské půdě a lidských tkáních. Regulační orgány a výzkumníci stále více požadují spíše úplnou degradaci než fragmentaci. Studie ze Šen-čenu ukazuje jednu věrohodnou cestu k jejímu splnění, i když vzdálenost od komerčního využití je stále značná.
