חוקרים במכון לטכנולוגיה מתקדמת של שנזן פיתחו פלסטיק הנושא בתוכו חיידקים חיים. כאשר הם מופעלים, חיידקים אלה מתעוררים וצורכים את החומר מבפנים. התוצאה היא פירוק מוחלט, ללא שאריות מיקרופלסטיק.
המחקר פורסם ב-ACS Applied Polymer Materials. הוא מתאר מטריצת פוליקפרולקטון משובצת בנבגים רדומים של Bacillus subtilis מהונדס. בתנאים רגילים, החומר מתנהג כמו פלסטיק סטנדרטי. הפעלת הדק, והנבגים מופעלים.
כיצד פועלת מערכת החיידקים
התכנון מסתמך על שני זני חיידקים הפועלים ברצף. הראשון מייצר אנזים שחותך שרשראות פולימר ארוכות לרסיסים קצרים יותר. זה יוצר נקודות כניסה חדשות לכל החומר. אנזים שני תוקף את הרסיסים הללו מקצותיהם. יחד, שני הזנים מאיצים את הפירוק עד שנותרות רק מולקולות קטנות.
מנגנון דו-שלבי זה מטפל בבעיה מתועדת היטב עם חומרים מפלסטיים מתכלים רבים. חומרים מפלסטיים סטנדרטיים מתפרקים לעיתים קרובות לפני שנעלמים לחלוטין. שברים אלה נשארים בקרקע ובמים כמיקרופלסטיק. החומר משנג'ן, על פי צוות המחקר, התפרק לחלוטין מבלי להשאיר שאריות כאלה.
פולי-קפרולקטון הוא פוליאסטר קל יחסית להתפרק. הוא כבר מופיע בחוטי הדפסה תלת-ממדית ובתפרים כירורגיים מתמוססים. הוא רחוק במידה מסוימת מהפוליאתילן, פוליפרופילן ו-PET השולטים בפסולת הפלסטיק העולמית. למרות זאת, הניסוי הניב תוצאה בסיסית שימושית. הסרט המשובץ בנבגים שמר על תכונות מכניות דומות לפולי-קפרולקטון סטנדרטי. הוספת חיידקים חיים לא החלישה את החומר במהלך חייו הפעילים.
ההפעלה עדיין דורשת תנאי מעבדה
תנאי ההפעלה נותרו מבוקרים בקפדנות. בניסוי, החוקרים הניחו את הפלסטיק בציר מזין חם בטמפרטורה של כ-50 מעלות צלזיוס. לאחר מכן הנבגים הופעלו, והסרט התפרק לחלוטין תוך שישה ימים.
תנאים אלה רחוקים מכל דבר שניתן למצוא בסביבה הטבעית. פיסת פלסטיק חיה שנזרקה לא תתכלה במזבלה, בנהר או בפח קומפוסט. הפעלה דורשת התערבות מכוונת. אילוץ זה מגביל יישומים לטווח קצר אך גם מפחית דאגה אחת: התכלות מוקדמת במהלך שימוש או אחסון.
הצוות גם ייצר אלקטרודה לבישה מהפלסטיק החי. היא זיהתה אותות שריר מזרוע אנושית. כאשר הופעלה, האלקטרודה התפרקה תוך כשבועיים. מעגל הנחושת נותר שלם. הפרדה זו של פולימר מתכלה ממתכת ניתנת להשבתה מצביעה על גישה פוטנציאלית לטיפול באלקטרוניקה חד פעמית, שבה חומרים מעורבים מסבכים כיום את המיחזור.
היכן זה נמצא בתחום המחקר הרחב יותר
העבודה של שנזן נשענת על גוף הולך וגדל של מחקרים בביולוגיה סינתטית. מחקר משנת 2019 בכתב העת Nature Chemical Biology הראה כי נבגי Bacillus subtilis יכולים לשרוד בתוך חומרים מודפסים בתלת-ממד ולהגיב לשינויים פני השטח כמו סדקים. מחקר עדכני יותר בכתב העת Nature Chemical Engineering מצא כי פלסטיק חי מבוסס נבגים יכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות ובממסים אורגניים. ממצא זה רלוונטי לסביבות עיבוד תעשייתיות, שבהן חומרים מתכלים סטנדרטיים לעיתים קרובות נכשלים.
אב הטיפוס של שנזן הוא הוכחת היתכנות. הוא עדיין לא מתייחס לפלסטיק המהווה את החלק הגדול ביותר של הפסולת העולמית. הרחבת הגישה לפולימרים פשוטים, ופיתוח מערכות הפעלה מעשיות מחוץ למעבדה, ידרשו עבודה משמעותית נוספת.
עבור משקיעים וקובעי מדיניות העוקבים אחר זיהום פלסטיק, השאלה הרלוונטית היא האם פירוק לפי פקודה יכול בסופו של דבר להשתלב בתכנון מוצרים בקנה מידה גדול. מוצרים קצרי מועד הם מקור עיקרי לזיהום סביבתי. אלה כוללים מכשירים רפואיים, חיישנים לבישים, סרטים חקלאיים ואריזות חד פעמיות. חומר שנשאר יציב במהלך השימוש ולאחר מכן מתכלה לחלוטין לפי הוראות יכול להפחית את עלויות הסילוק בסוף חייו ואת האחריות הרגולטורית.
המחקר עדיין לא מספק תשובה לשאלה זו. מה שהוא כן מספק הן ראיות לכך שחומרים חיים יכולים להתפרק לחלוטין, לשמור על תכונות פונקציונליות במהלך השימוש, ולהיבנות ביישומי אלקטרוניקה. כל אחת מהתוצאות הללו הייתה לא ודאית בעבר.
מומחי אקלים ומגוון ביולוגי זיהו זה מכבר זיהום מיקרופלסטיק כסיכון סביבתי מחמיר. שברי פולימר מצטברים במערכות אקולוגיות ימיות, קרקעות חקלאיות ורקמות אנושיות. פירוק מוחלט, ולא פירוק, הוא הסטנדרט שדורשים יותר ויותר רגולטורים וחוקרים. המחקר של שנזן מראה דרך אמינה אחת לעמידה בו, גם אם המרחק ליישום מסחרי נותר ניכר.
