Ερευνητές στα Ινστιτούτα Προηγμένης Τεχνολογίας της Σεντζέν ανέπτυξαν ένα πλαστικό που φέρει στο εσωτερικό του ζωντανά βακτήρια. Όταν ενεργοποιούνται, αυτά τα βακτήρια ξυπνούν και καταναλώνουν το υλικό από μέσα. Το αποτέλεσμα είναι η πλήρης αποικοδόμηση, χωρίς να μένουν υπολείμματα μικροπλαστικού.
Η μελέτη δημοσιεύεται στο ACS Applied Polymer Materials. Περιγράφει μια μήτρα πολυκαπρολακτόνης ενσωματωμένη με αδρανή σπόρια του τροποποιημένου Bacillus subtilis. Υπό κανονικές συνθήκες, το υλικό συμπεριφέρεται σαν τυπικό πλαστικό. Εφαρμόστε μια σκανδάλη και τα σπόρια ενεργοποιούνται.
Πώς λειτουργεί το βακτηριακό σύστημα
Ο σχεδιασμός βασίζεται σε δύο βακτηριακά στελέχη που λειτουργούν σε αλληλουχία. Το πρώτο παράγει ένα ένζυμο που κόβει μακριές πολυμερικές αλυσίδες σε μικρότερα θραύσματα. Αυτό δημιουργεί νέα σημεία εισόδου σε όλο το υλικό. Ένα δεύτερο ένζυμο στη συνέχεια επιτίθεται σε αυτά τα θραύσματα από τα άκρα τους. Μαζί, τα δύο στελέχη επιταχύνουν την αποικοδόμηση μέχρι να απομείνουν μόνο μικρά μόρια.
Αυτός ο μηχανισμός δύο σταδίων αντιμετωπίζει ένα καλά τεκμηριωμένο πρόβλημα με πολλά βιοδιασπώμενα πλαστικά. Τα τυπικά βιοδιασπώμενα πλαστικά συχνά θρυμματίζονται πριν εξαφανιστούν πλήρως. Αυτά τα θραύσματα παραμένουν στο έδαφος και το νερό ως μικροπλαστικά. Το υλικό της Σεντζέν, σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα, αποικοδομήθηκε πλήρως χωρίς να αφήσει τέτοια υπολείμματα.
Η πολυκαπρολακτόνη είναι ένας σχετικά εύκολος στην αποικοδόμηση πολυεστέρας. Εμφανίζεται ήδη σε νημάτια τρισδιάστατης εκτύπωσης και σε διαλυτά χειρουργικά ράμματα. Απέχει αρκετά από το πολυαιθυλένιο, το πολυπροπυλένιο και το PET που κυριαρχούν στα πλαστικά απόβλητα παγκοσμίως. Παρόλα αυτά, το πείραμα παρήγαγε ένα χρήσιμο βασικό αποτέλεσμα. Η μεμβράνη που ήταν ενσωματωμένη σε σπόρια διατήρησε μηχανικές ιδιότητες συγκρίσιμες με την τυπική πολυκαπρολακτόνη. Η προσθήκη ζωντανών βακτηρίων δεν αποδυνάμωσε το υλικό κατά τη διάρκεια της ενεργού ζωής του.
Η ενεργοποίηση εξακολουθεί να απαιτεί εργαστηριακές συνθήκες
Οι συνθήκες ενεργοποίησης παραμένουν αυστηρά ελεγχόμενες. Στο πείραμα, οι ερευνητές τοποθέτησαν το πλαστικό σε ζεστό θρεπτικό ζωμό στους περίπου 50 βαθμούς Κελσίου. Στη συνέχεια, τα σπόρια ενεργοποιήθηκαν και η μεμβράνη διαλύθηκε πλήρως μέσα σε έξι ημέρες.
Αυτές οι συνθήκες απέχουν πολύ από οτιδήποτε συναντάται στο φυσικό περιβάλλον. Ένα πεταμένο κομμάτι ζωντανού πλαστικού δεν θα αποικοδομούνταν σε χώρο υγειονομικής ταφής, σε ποτάμι ή σε κάδο κομποστοποίησης. Η ενεργοποίηση απαιτεί σκόπιμη παρέμβαση. Αυτός ο περιορισμός περιορίζει τις βραχυπρόθεσμες εφαρμογές, αλλά μειώνει επίσης μια ανησυχία: την πρόωρη υποβάθμιση κατά τη χρήση ή την αποθήκευση.
Η ομάδα κατασκεύασε επίσης ένα φορετό ηλεκτρόδιο από το ζωντανό πλαστικό. Ανίχνευσε μυϊκά σήματα από ένα ανθρώπινο χέρι. Όταν ενεργοποιήθηκε, το ηλεκτρόδιο υποβαθμίστηκε σε περίπου δύο εβδομάδες. Το κύκλωμα χαλκού παρέμεινε άθικτο. Αυτός ο διαχωρισμός του αποικοδομήσιμου πολυμερούς από τα ανακτήσιμα μεταλλικά σημεία αποτελεί μια πιθανή προσέγγιση για τον χειρισμό ηλεκτρονικών ειδών μιας χρήσης, όπου τα μικτά υλικά περιπλέκουν επί του παρόντος την ανακύκλωση.
Πού βρίσκεται αυτό στο ευρύτερο ερευνητικό πεδίο
Η εργασία του Shenzhen βασίζεται σε ένα αυξανόμενο σύνολο ερευνών συνθετικής βιολογίας. Μια μελέτη του 2019 στο Nature Chemical Biology έδειξε ότι τα σπόρια του Bacillus subtilis θα μπορούσαν να επιβιώσουν μέσα σε τρισδιάστατα εκτυπωμένα υλικά και να ανταποκριθούν σε επιφανειακές αλλαγές, όπως ρωγμές. Πιο πρόσφατη έρευνα στο Nature Chemical Engineering διαπίστωσε ότι τα ζωντανά πλαστικά με βάση τα σπόρια μπορούν να αντέξουν σε υψηλές θερμοκρασίες και οργανικούς διαλύτες. Αυτό το εύρημα είναι σημαντικό για βιομηχανικά περιβάλλοντα επεξεργασίας, όπου τα τυπικά βιοδιασπώμενα υλικά συχνά αποτυγχάνουν.
Το πρωτότυπο της Σεντζέν αποτελεί απόδειξη της εφαρμογής της ιδέας. Δεν ασχολείται ακόμη με τα πλαστικά που αποτελούν το μεγαλύτερο μερίδιο των παγκόσμιων αποβλήτων. Η κλιμάκωση της προσέγγισης στα πολυμερή εμπορευμάτων και η ανάπτυξη πρακτικών συστημάτων ενεργοποίησης εκτός εργαστηρίου θα απαιτήσει σημαντική περαιτέρω εργασία.
Για τους επενδυτές και τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής που παρακολουθούν τη ρύπανση από πλαστικά, το σχετικό ερώτημα είναι εάν η υποβάθμιση κατά παραγγελία μπορεί τελικά να ενσωματωθεί στον σχεδιασμό προϊόντων σε μεγάλη κλίμακα. Τα βραχύβια προϊόντα αποτελούν σημαντική πηγή περιβαλλοντικής μόλυνσης. Σε αυτά περιλαμβάνονται ιατρικές συσκευές, φορετοί αισθητήρες, γεωργικές μεμβράνες και συσκευασίες μιας χρήσης. Ένα υλικό που παραμένει σταθερό κατά τη χρήση και στη συνέχεια υποβαθμίζεται πλήρως κατόπιν εντολής θα μπορούσε να μειώσει το κόστος απόρριψης στο τέλος του κύκλου ζωής του και την κανονιστική ευθύνη.
Η έρευνα δεν παρέχει ακόμη απάντηση σε αυτό το ερώτημα. Αυτό που παρέχει είναι στοιχεία που αποδεικνύουν ότι τα ζωντανά υλικά μπορούν να αποικοδομηθούν πλήρως, να διατηρήσουν λειτουργικές ιδιότητες κατά τη χρήση και να ενσωματωθούν σε ηλεκτρονικές εφαρμογές. Καθένα από αυτά τα αποτελέσματα ήταν προηγουμένως αβέβαιο.
Οι ειδικοί στο κλίμα και τη βιοποικιλότητα έχουν από καιρό εντοπίσει τη μόλυνση από μικροπλαστικά ως έναν επιδεινούμενο περιβαλλοντικό κίνδυνο. Θραύσματα πολυμερών συσσωρεύονται σε θαλάσσια οικοσυστήματα, γεωργικά εδάφη και ανθρώπινους ιστούς. Η πλήρης υποβάθμιση, αντί του κατακερματισμού, είναι το πρότυπο που απαιτούν ολοένα και περισσότερο οι ρυθμιστικές αρχές και οι ερευνητές. Η μελέτη της Σεντζέν δείχνει μια αξιόπιστη οδό για την επίτευξή του, ακόμη και αν η απόσταση έως την εμπορική εφαρμογή παραμένει σημαντική.
