I ricercatori degli Istituti di Tecnologia Avanzata di Shenzhen hanno sviluppato una plastica che contiene batteri vivi al suo interno. Quando vengono attivati, questi batteri si risvegliano e consumano il materiale dall'interno. Il risultato è una completa degradazione, senza lasciare residui di microplastica.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista ACS Applied Polymer Materials. Descrive una matrice di policaprolattone contenente spore dormienti di Bacillus subtilis geneticamente modificato. In condizioni normali, il materiale si comporta come una plastica standard. Applicando uno stimolo, le spore si attivano.
Come funziona il sistema batterico
Il sistema si basa sull'azione sequenziale di due ceppi batterici. Il primo produce un enzima che taglia le lunghe catene polimeriche in frammenti più corti, creando nuovi punti di ingresso all'interno del materiale. Un secondo enzima attacca quindi questi frammenti dalle loro estremità. Insieme, i due ceppi accelerano la degradazione fino a quando non rimangono solo molecole di piccole dimensioni.
Questo meccanismo a due fasi risolve un problema ben documentato di molte plastiche biodegradabili. Le plastiche biodegradabili standard spesso si frammentano prima di decomporsi completamente. Questi frammenti persistono nel suolo e nell'acqua sotto forma di microplastiche. Il materiale di Shenzhen, secondo il team di ricerca, si è degradato completamente senza lasciare tali residui.
Il policaprolattone è un poliestere relativamente facile da degradare. È già presente nei filamenti per la stampa 3D e nelle suture chirurgiche riassorbibili. È ancora lontano dal polietilene, dal polipropilene e dal PET, che dominano i rifiuti plastici globali. Ciononostante, l'esperimento ha prodotto un utile risultato di riferimento. La pellicola contenente spore ha mantenuto proprietà meccaniche paragonabili a quelle del policaprolattone standard. L'aggiunta di batteri vivi non ha indebolito il materiale durante la sua vita utile.
L'attivazione richiede comunque condizioni di laboratorio.
Le condizioni di innesco rimangono rigorosamente controllate. Nell'esperimento, i ricercatori hanno immerso la plastica in un brodo nutritivo caldo a circa 50 gradi Celsius. Le spore si sono quindi attivate e la pellicola si è completamente decomposta entro sei giorni.
Queste condizioni sono ben diverse da quelle riscontrabili in ambiente naturale. Un pezzo di plastica vivente scartato non si degraderebbe in una discarica, in un fiume o in un contenitore per il compost. L'attivazione richiede un intervento deliberato. Questa limitazione restringe le applicazioni a breve termine, ma riduce anche una preoccupazione: la degradazione prematura durante l'uso o lo stoccaggio.
Il team ha anche prodotto un elettrodo indossabile a partire da questa plastica vivente. L'elettrodo era in grado di rilevare i segnali muscolari di un braccio umano. Una volta attivato, si degradava in circa due settimane, mentre il circuito in rame rimaneva intatto. Questa separazione tra polimero degradabile e metallo recuperabile indica una potenziale soluzione per la gestione dei dispositivi elettronici monouso, dove attualmente la presenza di materiali misti complica il riciclo.
Dove si colloca questo nel più ampio campo della ricerca
Il lavoro svolto a Shenzhen si basa su un corpus crescente di ricerche nel campo della biologia sintetica. Uno studio del 2019 pubblicato su Nature Chemical Biology ha dimostrato che le spore di Bacillus subtilis possono sopravvivere all'interno di materiali stampati in 3D e reagire a cambiamenti superficiali come le crepe. Ricerche più recenti, pubblicate su Nature Chemical Engineering, hanno scoperto che le plastiche viventi a base di spore possono resistere ad alte temperature e solventi organici. Questa scoperta è rilevante per gli ambienti di processo industriali, dove i materiali biodegradabili standard spesso falliscono.
Il prototipo di Shenzhen è una dimostrazione di fattibilità. Non affronta ancora il problema delle plastiche, che costituiscono la quota maggiore dei rifiuti globali. L'estensione dell'approccio ai polimeri di largo consumo e lo sviluppo di sistemi di attivazione pratici al di fuori del laboratorio richiederanno un lavoro considerevole.
Per gli investitori e i responsabili politici che monitorano l'inquinamento da plastica , la questione rilevante è se la degradazione controllata possa essere integrata su larga scala nella progettazione dei prodotti. I prodotti a breve durata sono una delle principali fonti di contaminazione ambientale. Tra questi figurano dispositivi medici, sensori indossabili, pellicole agricole e imballaggi monouso. Un materiale che rimane stabile durante l'uso e si degrada completamente su comando potrebbe ridurre i costi di smaltimento a fine vita e le responsabilità normative.
La ricerca non fornisce ancora una risposta a questa domanda. Ciò che fornisce, tuttavia, è la prova che i materiali viventi possono degradarsi completamente, conservare le proprietà funzionali durante l'uso ed essere integrati in applicazioni elettroniche. Ciascuno di questi risultati era precedentemente incerto.
Gli specialisti del clima e della biodiversità hanno da tempo identificato la contaminazione da microplastiche come un rischio ambientale sempre più grave. I frammenti di polimero si accumulano negli ecosistemi marini, nei terreni agricoli e nei tessuti umani. La degradazione completa, piuttosto che la frammentazione, è lo standard che le autorità di regolamentazione e i ricercatori richiedono sempre più spesso. Lo studio di Shenzhen mostra una possibile strada percorribile per raggiungere questo obiettivo, anche se la distanza verso un'applicazione commerciale rimane considerevole.
