Onderzoekers van de Shenzhen Institutes of Advanced Technology hebben een plastic ontwikkeld dat levende bacteriën bevat. Wanneer bacteriën worden geactiveerd, worden ze wakker en verteren ze het materiaal van binnenuit. Het resultaat is volledige afbraak, zonder dat er microplasticresten achterblijven.
De studie is gepubliceerd in ACS Applied Polymer Materials. Hierin wordt een polycaprolactonmatrix beschreven waarin slapende sporen van genetisch gemodificeerde Bacillus subtilis zijn ingebed. Onder normale omstandigheden gedraagt het materiaal zich als standaard plastic. Door een trigger toe te passen, worden de sporen geactiveerd.
Hoe het bacteriële systeem werkt
Het ontwerp berust op twee bacteriestammen die na elkaar werken. De eerste produceert een enzym dat lange polymeerketens in kortere fragmenten knipt. Hierdoor ontstaan nieuwe toegangspunten in het materiaal. Een tweede enzym valt vervolgens die fragmenten vanaf de uiteinden aan. Samen versnellen de twee stammen de afbraak totdat er alleen nog kleine moleculen overblijven.
Dit tweestapsmechanisme pakt een bekend probleem aan met veel biologisch afbreekbare kunststoffen. Standaard biologisch afbreekbare materialen fragmenteren vaak voordat ze volledig verdwijnen. Deze fragmenten blijven in de bodem en het water achter als microplastics. Het materiaal uit Shenzhen, aldus het onderzoeksteam, brak volledig af zonder dergelijke resten achter te laten.
Polycaprolacton is een relatief gemakkelijk afbreekbaar polyester. Het wordt al gebruikt in 3D-printfilamenten en oplosbare chirurgische hechtdraden. Het staat nog ver af van polyethyleen, polypropyleen en PET, de materialen die wereldwijd het grootste deel van het plastic afval vormen. Desondanks leverde het experiment een nuttig basisresultaat op. De film met ingebedde sporen behield mechanische eigenschappen die vergelijkbaar waren met die van standaard polycaprolacton. De toevoeging van levende bacteriën verzwakte het materiaal niet gedurende de actieve levensduur.
Activering vereist nog steeds laboratoriumomstandigheden.
De omstandigheden waaronder de schimmels ontkiemen, worden strikt gecontroleerd. In het experiment plaatsten de onderzoekers het plastic in een warme voedingsbodem van ongeveer 50 graden Celsius. De sporen werden vervolgens geactiveerd en de folie brak binnen zes dagen volledig af.
Die omstandigheden wijken sterk af van wat je in de natuurlijke omgeving aantreft. Een weggegooid stuk levend plastic zou niet afbreken op een vuilstortplaats, in een rivier of in een compostbak. Activering vereist doelbewuste interventie. Die beperking beperkt de toepassingen op korte termijn, maar vermindert ook een belangrijk probleem: voortijdige afbraak tijdens gebruik of opslag.
Het team produceerde ook een draagbare elektrode van het levende plastic. Deze detecteerde spiersignalen van een menselijke arm. Na activering brak de elektrode in ongeveer twee weken af. De koperen schakeling bleef intact. Deze scheiding van afbreekbaar polymeer van herbruikbaar metaal wijst op een potentiële aanpak voor de verwerking van wegwerpelektronica, waar gemengde materialen recycling momenteel bemoeilijken.
De plaats van dit onderzoek binnen het bredere onderzoeksveld.
Het onderzoek in Shenzhen bouwt voort op een groeiend aantal onderzoeken in de synthetische biologie. Een studie uit 2019 in Nature Chemical Biology toonde aan dat sporen van Bacillus subtilis kunnen overleven in 3D-geprinte materialen en reageren op veranderingen aan het oppervlak, zoals scheuren. Recenter onderzoek in Nature Chemical Engineering wees uit dat op sporen gebaseerde levende kunststoffen bestand zijn tegen hoge temperaturen en organische oplosmiddelen. Deze bevinding is relevant voor industriële verwerkingsomgevingen, waar standaard biologisch afbreekbare materialen vaak tekortschieten.
Het prototype in Shenzhen is een proof of concept. Het pakt nog niet de plastics aan die het grootste deel van het wereldwijde afval uitmaken. Het opschalen van de aanpak naar gangbare polymeren en het ontwikkelen van praktische activeringssystemen buiten het laboratorium vereist aanzienlijk meer werk.
Voor investeerders en beleidsmakers die plasticvervuiling in de gaten houden, is de relevante vraag of gecontroleerde afbraak uiteindelijk op grote schaal in productontwerp kan worden geïntegreerd. Producten met een korte levensduur zijn een belangrijke bron van milieuvervuiling. Denk hierbij aan medische apparaten, draagbare sensoren, landbouwfolies en verpakkingen voor eenmalig gebruik. Een materiaal dat stabiel blijft tijdens gebruik en vervolgens op aanwijzing volledig afbreekt, zou de kosten voor afvalverwerking aan het einde van de levensduur en de wettelijke aansprakelijkheid kunnen verlagen.
Het onderzoek geeft nog geen antwoord op die vraag. Wat het wel aantoont, is dat levende materialen volledig kunnen afbreken, hun functionele eigenschappen tijdens gebruik kunnen behouden en in elektronische toepassingen kunnen worden verwerkt. Over elk van deze resultaten bestond voorheen onzekerheid.
Klimaat- en biodiversiteitsdeskundigen hebben microplasticvervuiling al lang aangemerkt als een steeds groter wordend milieurisico. Polymeerfragmenten hopen zich op in mariene ecosystemen, landbouwgrond en menselijk weefsel. Volledige afbraak, in plaats van fragmentatie, is de norm die regelgevers en onderzoekers steeds vaker eisen. De studie uit Shenzhen laat een geloofwaardige weg zien om hieraan te voldoen, ook al is de weg naar commerciële toepassing nog aanzienlijk.
