Shenzhenin edistyneen teknologian instituutin tutkijat ovat kehittäneet muovin, jonka sisällä on eläviä bakteereja. Kun tämä laukeaa, bakteerit heräävät ja syövät materiaalia sisältäpäin. Tuloksena on täydellinen hajoaminen, eikä jäljelle jää mikromuovijäämiä.
Tutkimus on julkaistu ACS Applied Polymer Materials -lehdessä. Se kuvaa polykaprolaktonimatriisia, johon on upotettu muunnellun Bacillus subtilis -bakteerin lepotilassa olevia itiöitä. Normaaliolosuhteissa materiaali käyttäytyy kuten tavallinen muovi. Kun liipaisinta käytetään, itiöt aktivoituvat.
Miten bakteerijärjestelmä toimii
Suunnittelu perustuu kahden bakteerikannan peräkkäiseen toimintaan. Ensimmäinen tuottaa entsyymiä, joka katkaisee pitkät polymeeriketjut lyhyemmiksi fragmenteiksi. Tämä luo uusia läpikulkupisteitä materiaaliin. Toinen entsyymi hyökkää sitten näiden fragmenttien kimppuun niiden päistä. Yhdessä nämä kaksi kantaa kiihdyttävät hajoamista, kunnes jäljelle jää vain pieniä molekyylejä.
Tämä kaksivaiheinen mekanismi ratkaisee hyvin dokumentoidun ongelman, joka liittyy moniin biohajoaviin muoveihin. Tavalliset biohajoavat muovit usein hajoavat ennen täydellistä häviämistä. Nämä fragmentit säilyvät maaperässä ja vedessä mikromuoveina. Tutkimusryhmän mukaan Shenzhenissä valmistettu materiaali hajoaa kokonaan jättämättä tällaisia jäämiä.
Polykaprolaktoni on suhteellisen helposti hajoava polyesteri. Sitä käytetään jo 3D-tulostusfilamenteissa ja liukenevissa kirurgisissa ompeleissa. Se on jonkin matkan päässä polyeteenistä, polypropeenista ja PET:stä, jotka hallitsevat maailmanlaajuista muovijätettä. Kokeilu tuotti kuitenkin hyödyllisen lähtötuloksen. Itiöitä sisältävä kalvo säilytti mekaaniset ominaisuudet, jotka olivat verrattavissa tavalliseen polykaprolaktoniin. Elävien bakteerien lisääminen ei heikentänyt materiaalia sen aktiivisen käyttöiän aikana.
Aktivointi vaatii edelleen laboratorio-olosuhteita
Laukaisuolosuhteet pysyvät tiukasti kontrolloiduina. Kokeessa tutkijat asettivat muovin lämpimään, noin 50 celsiusasteen ravintoliemeen. Itiöt aktivoituivat sitten, ja kalvo hajosi kokonaan kuudessa päivässä.
Nuo olosuhteet ovat kaikkea muuta kuin luonnollisessa ympäristössä. Hylätty elävä muovinpala ei hajoaisi kaatopaikalla, joessa tai kompostissa. Aktivointi vaatii harkittua puuttumista asiaan. Tämä rajoitus rajoittaa lyhyen aikavälin sovelluksia, mutta myös vähentää yhtä huolta: ennenaikaista hajoamista käytön tai varastoinnin aikana.
Tiimi valmisti myös elävästä muovista puettavan elektrodin. Se havaitsi lihassignaaleja ihmisen käsivarresta. Laukaistuna elektrodi hajosi noin kahdessa viikossa. Kuparipiirit pysyivät ehjinä. Hajoavan polymeerin erottaminen talteenotettavasta metallista viittaa mahdolliseen lähestymistapaan kertakäyttöisten elektroniikkalaitteiden käsittelyyn, sillä sekalaiset materiaalit tällä hetkellä vaikeuttavat kierrätystä.
Missä tämä sijoittuu laajempaan tutkimuskenttään
Shenzhenin työ hyödyntää kasvavaa synteettisen biologian tutkimusta. Vuonna 2019 Nature Chemical Biology -lehdessä julkaistu tutkimus osoitti, että Bacillus subtilis -itiöt pystyivät selviytymään 3D-tulostettujen materiaalien sisällä ja reagoimaan pinnan muutoksiin, kuten halkeamiin. Uudempi Nature Chemical Engineering -lehden tutkimus osoitti, että itiöpohjaiset elävät muovit kestävät korkeita lämpötiloja ja orgaanisia liuottimia. Tämä havainto on merkityksellinen teollisissa prosessiympäristöissä, joissa tavalliset biohajoavat materiaalit usein pettävät.
Shenzhenin prototyyppi on konseptin toimivuustodistus. Se ei vielä käsittele muoveja, jotka muodostavat suurimman osan maailmanlaajuisesta jätteestä. Lähestymistavan laajentaminen hyödykepolymeereihin ja käytännön aktivointijärjestelmien kehittäminen laboratorion ulkopuolella vaatii huomattavaa lisätyötä.
Muovisaastetta seuraaville sijoittajille ja päättäjille olennainen kysymys on, voidaanko käskystä tapahtuva hajoaminen lopulta integroida tuotesuunnitteluun laajamittaisesti. Lyhytikäiset tuotteet ovat merkittävä ympäristön saastumisen lähde. Näitä ovat lääkinnälliset laitteet, puettavat anturit, maatalouskalvot ja kertakäyttöpakkaukset. Materiaali, joka pysyy vakaana käytön aikana ja hajoaa sitten kokonaan ohjeiden mukaisesti, voisi vähentää elinkaaren lopun hävityskustannuksia ja sääntelyvastuuta.
Tutkimus ei vielä anna vastausta tähän kysymykseen. Se tarjoaa kuitenkin näyttöä siitä, että elävät materiaalit voivat hajota kokonaan, säilyttää toiminnalliset ominaisuutensa käytön aikana ja niitä voidaan käyttää elektroniikan sovelluksissa. Jokainen näistä tuloksista oli aiemmin epävarma.
Ilmasto- ja biodiversiteettiasiantuntijat ovat jo pitkään tunnistaneet mikromuovisaastumisen kasvavaksi ympäristöriskiksi. Polymeerifragmentit kertyvät meriekosysteemeihin, maatalousmaaperään ja ihmiskudokseen. Täydellinen hajoaminen pikemminkin kuin pirstaloituminen on standardi, jota sääntelyviranomaiset ja tutkijat vaativat yhä enemmän. Shenzhenin tutkimus osoittaa yhden uskottavan tavan saavuttaa tämä tavoite, vaikka kaupalliseen käyttöön on vielä huomattava matka.
