Исследователи из Шэньчжэньского института передовых технологий разработали пластик, внутри которого находятся живые бактерии. При активации эти бактерии пробуждаются и начинают разлагать материал изнутри. В результате происходит полное разложение, не оставляя микропластиковых остатков.
Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Polymer Materials. В нем описывается матрица из поликапролактона, содержащая спящие споры генетически модифицированной бактерии Bacillus subtilis. В обычных условиях материал ведет себя как обычный пластик. При воздействии триггера споры активируются.
Как работает бактериальная система
Конструкция основана на последовательной работе двух штаммов бактерий. Первый вырабатывает фермент, который расщепляет длинные полимерные цепи на более короткие фрагменты. Это создает новые точки проникновения по всему материалу. Затем второй фермент атакует эти фрагменты с концов. Вместе два штамма ускоряют расщепление до тех пор, пока не останутся только небольшие молекулы.
Этот двухэтапный механизм решает хорошо известную проблему многих биоразлагаемых пластиков. Стандартные биоразлагаемые материалы часто распадаются на фрагменты, прежде чем полностью исчезнуть. Эти фрагменты сохраняются в почве и воде в виде микропластика. По данным исследовательской группы, материал из Шэньчжэня полностью разложился, не оставив таких остатков.
Поликапролактон — относительно легко разлагаемый полиэстер. Он уже используется в нитях для 3D-печати и рассасывающихся хирургических шовных материалах. Он значительно уступает полиэтилену, полипропилену и ПЭТ, которые составляют основную массу пластиковых отходов в мире. Тем не менее, эксперимент дал полезный базовый результат. Пленка с внедренными спорами сохранила механические свойства, сопоставимые со стандартным поликапролактоном. Добавление живых бактерий не ослабило материал в течение его активного периода жизни.
Для активации по-прежнему необходимы лабораторные условия.
Условия запуска процесса остаются строго контролируемыми. В ходе эксперимента исследователи поместили пластик в теплый питательный бульон температурой приблизительно 50 градусов Цельсия. Затем споры активировались, и пленка полностью разложилась в течение шести дней.
Эти условия далеки от всего, что встречается в естественной среде. Выброшенный кусок «живого» пластика не разложится на свалке, в реке или компостной яме. Для его активации требуется целенаправленное вмешательство. Это ограничение сужает возможности применения в ближайшей перспективе, но также снижает одну из проблем: преждевременное разложение во время использования или хранения.
Команда также создала носимый электрод из «живого» пластика. Он обнаруживал мышечные сигналы человеческой руки. При срабатывании электрод разлагался примерно за две недели. Медная проводка оставалась неповрежденной. Такое разделение разлагаемого полимера и восстанавливаемого металла указывает на потенциальный подход к переработке одноразовой электроники, где в настоящее время переработка смешанных материалов осложняет процесс утилизации.
Какое место это занимает в более широкой области исследований.
Работа, проведенная в Шэньчжэне, опирается на растущий объем исследований в области синтетической биологии. Исследование 2019 года, опубликованное в журнале Nature Chemical Biology, показало, что споры Bacillus subtilis могут выживать внутри материалов, напечатанных на 3D-принтере, и реагировать на изменения поверхности, такие как трещины. Более поздние исследования, опубликованные в журнале Nature Chemical Engineering, показали, что живые пластмассы на основе спор могут выдерживать высокие температуры и органические растворители. Это открытие актуально для промышленных производственных сред, где стандартные биоразлагаемые материалы часто оказываются неэффективными.
Прототип, разработанный в Шэньчжэне, представляет собой подтверждение концепции. Он пока не решает проблему пластика, составляющего наибольшую долю мировых отходов. Масштабирование подхода до товарных полимеров и разработка практических систем активации за пределами лаборатории потребуют значительной дальнейшей работы.
Для инвесторов и политиков, отслеживающих загрязнение пластиком, актуальным вопросом является возможность интеграции технологии разложения по требованию в конструкцию продукции в больших масштабах. Продукты с коротким сроком службы являются основным источником загрязнения окружающей среды. К ним относятся медицинские изделия, носимые датчики, сельскохозяйственные пленки и одноразовая упаковка. Материал, который остается стабильным во время использования, а затем полностью разлагается по требованию, может снизить затраты на утилизацию после окончания срока службы и ответственность перед регулирующими органами.
Данное исследование пока не дает ответа на этот вопрос. Однако оно предоставляет доказательства того, что живые материалы могут полностью разлагаться, сохранять функциональные свойства во время использования и применяться в электронных устройствах. Ранее каждый из этих результатов был неопределенным.
Специалисты по климату и биоразнообразию давно определили загрязнение микропластиком как сложную экологическую проблему. Фрагменты полимеров накапливаются в морских экосистемах, сельскохозяйственных почвах и тканях человека. Полная деградация, а не фрагментация, — это стандарт, которого все чаще требуют регулирующие органы и исследователи. Исследование, проведенное в Шэньчжэне, показывает один из надежных путей к его достижению, даже если до коммерческого применения еще далеко.
