Forskere ved Shenzhen Institutes of Advanced Technology har udviklet en plastik, der indeholder levende bakterier. Når disse bakterier udløses, vågner de op og fortærer materialet indefra. Resultatet er fuldstændig nedbrydning uden rester af mikroplastik.
Undersøgelsen er offentliggjort i ACS Applied Polymer Materials. Den beskriver en polycaprolactonmatrix indlejret med sovende sporer af den konstruerede Bacillus subtilis. Under normale forhold opfører materialet sig som standardplastik. Hvis man aktiverer en udløser, aktiveres sporerne.
Hvordan det bakterielle system fungerer
Designet er baseret på to bakteriestammer, der arbejder i rækkefølge. Den første producerer et enzym, der skærer lange polymerkæder i kortere fragmenter. Dette skaber nye indgangspunkter i hele materialet. Et andet enzym angriber derefter disse fragmenter fra deres ender. Sammen accelererer de to stammer nedbrydningen, indtil kun små molekyler er tilbage.
Denne to-trinsmekanisme løser et veldokumenteret problem med mange bionedbrydelige plasttyper. Standard bionedbrydelige materialer fragmenteres ofte, før de forsvinder helt. Disse fragmenter forbliver i jord og vand som mikroplast. Ifølge forskerholdet blev Shenzhen-materialet nedbrudt fuldstændigt uden at efterlade sådanne rester.
Polycaprolacton er en polyester, der er relativt let nedbrydelig. Den forekommer allerede i 3D-printfilamenter og opløselige kirurgiske suturer. Den er et stykke fra polyethylen, polypropylen og PET, der dominerer det globale plastaffald. Alligevel gav eksperimentet et nyttigt basisresultat. Den sporeindlejrede film bevarede mekaniske egenskaber, der kunne sammenlignes med standard polycaprolacton. Tilsætning af levende bakterier svækkede ikke materialet i dets aktive levetid.
Aktivering kræver stadig laboratorieforhold
Udløserbetingelserne forbliver nøje kontrollerede. I eksperimentet placerede forskerne plastikken i varm næringsbouillon ved cirka 50 grader Celsius. Sporerne aktiveredes derefter, og filmen brød fuldstændigt ned inden for seks dage.
Disse forhold er langt fra noget, man kan se i det naturlige miljø. Et kasseret stykke levende plastik ville ikke nedbrydes på en losseplads, i en flod eller i en kompostbeholder. Aktivering kræver bevidst indgriben. Denne begrænsning begrænser anvendelser på kort sigt, men reducerer også én bekymring: for tidlig nedbrydning under brug eller opbevaring.
Holdet producerede også en bærbar elektrode af den levende plastik. Den registrerede muskelsignaler fra en menneskelig arm. Når elektroden blev udløst, nedbrudt den i løbet af cirka to uger. Kobberkredsløbet forblev intakt. Denne adskillelse af nedbrydelig polymer fra genvindbart metal peger på en potentiel tilgang til håndtering af engangselektronik, hvor blandede materialer i øjeblikket komplicerer genbrug.
Hvor dette befinder sig i det bredere forskningsfelt
Shenzhen-arbejdet trækker på en voksende mængde forskning i syntetisk biologi. Et studie fra 2019 i Nature Chemical Biology viste, at Bacillus subtilis-sporer kunne overleve inde i 3D-printede materialer og reagere på overfladeændringer såsom revner. Nyere forskning i Nature Chemical Engineering har vist, at sporebaseret levende plast kan modstå høje temperaturer og organiske opløsningsmidler. Dette fund er relevant for industrielle forarbejdningsmiljøer, hvor standard bionedbrydelige materialer ofte fejler.
Shenzhen-prototypen er et proof of concept. Den omhandler endnu ikke de plasttyper, der udgør den største andel af det globale affald. Skalering af tilgangen til råvarepolymerer og udvikling af praktiske aktiveringssystemer uden for laboratoriet vil kræve betydeligt yderligere arbejde.
For investorer og beslutningstagere, der sporer plastikforurening, er det relevante spørgsmål, om nedbrydning på kommando i sidste ende kan integreres i produktdesign i stor skala. Kortlivede produkter er en væsentlig kilde til miljøforurening. Disse omfatter medicinsk udstyr, bærbare sensorer, landbrugsfilm og engangsemballage. Et materiale, der forbliver stabilt under brug og derefter nedbrydes fuldstændigt efter instruktion, kan reducere omkostningerne ved bortskaffelse og lovgivningsmæssigt ansvar.
Forskningen giver endnu ikke et svar på det spørgsmål. Den leverer derimod bevis for, at levende materialer kan nedbrydes fuldstændigt, bevare funktionelle egenskaber under brug og indbygges i elektroniske applikationer. Hvert af disse resultater var tidligere usikre.
Klima- og biodiversitetsspecialister har længe identificeret mikroplastforurening som en forværrende miljørisiko. Polymerfragmenter ophobes i marine økosystemer, landbrugsjord og menneskeligt væv. Fuldstændig nedbrydning snarere end fragmentering er den standard, som regulatorer og forskere i stigende grad kræver. Shenzhen-undersøgelsen viser én troværdig vej til at opfylde den, selvom afstanden til kommerciel anvendelse fortsat er betydelig.
