Forskare vid Shenzhen Institutes of Advanced Technology har utvecklat en plast som innehåller levande bakterier. När dessa bakterier utlöses vaknar de och konsumerar materialet inifrån. Resultatet är fullständig nedbrytning, utan några mikroplastrester kvar.
Studien publiceras i ACS Applied Polymer Materials. Den beskriver en polykaprolaktonmatris inbäddad med vilande sporer av den genmodifierade Bacillus subtilis. Under normala förhållanden beter sig materialet som vanlig plast. Tryck på en avtryckare och sporerna aktiveras.
Hur bakteriesystemet fungerar
Designen bygger på två bakteriestammar som arbetar i sekvens. Den första producerar ett enzym som klipper långa polymerkedjor i kortare fragment. Detta skapar nya ingångspunkter i materialet. Ett andra enzym attackerar sedan dessa fragment från deras ändar. Tillsammans accelererar de två stammarna nedbrytningen tills endast små molekyler återstår.
Denna tvåstegsmekanism åtgärdar ett väl dokumenterat problem med många biologiskt nedbrytbara plaster. Vanliga biologiskt nedbrytbara plaster fragmenteras ofta innan de försvinner helt. Dessa fragment finns kvar i jord och vatten som mikroplaster. Materialet från Shenzhen bröts enligt forskargruppen ner fullständigt utan att lämna sådana rester.
Polykaprolakton är en relativt lättnedbrytbar polyester. Den förekommer redan i 3D-utskriftsfilament och upplösliga kirurgiska suturer. Den är en bit ifrån polyeten, polypropen och PET som dominerar det globala plastavfallet. Trots detta gav experimentet ett användbart baslinjeresultat. Den sporinbäddade filmen behöll mekaniska egenskaper jämförbara med standardpolykaprolakton. Tillsats av levande bakterier försvagade inte materialet under dess aktiva livslängd.
Aktivering kräver fortfarande laboratorieförhållanden
Utlösningsförhållandena förblir noggrant kontrollerade. I experimentet placerade forskarna plasten i varm näringsbuljong vid cirka 50 grader Celsius. Sporerna aktiverades sedan och filmen bröts ner helt inom sex dagar.
Dessa förhållanden är långt ifrån något man kan stöta på i den naturliga miljön. En kasserad bit levande plast skulle inte brytas ner på en soptipp, i en flod eller i en kompostbehållare. Aktivering kräver avsiktliga åtgärder. Den begränsningen begränsar användningsområden på kort sikt men minskar också en oro: för tidig nedbrytning under användning eller lagring.
Teamet tillverkade också en bärbar elektrod av den levande plasten. Den detekterade muskelsignaler från en mänsklig arm. När elektroden utlöstes bröts den ner på ungefär två veckor. Kopparkretsarna förblev intakta. Denna separation av nedbrytbar polymer från återvinningsbar metall pekar på en potentiell metod för hantering av engångselektronik, där blandade material för närvarande komplicerar återvinning.
Var detta placerar sig i det bredare forskningsfältet
Shenzhen-arbetet bygger på en växande mängd forskning inom syntetisk biologi. En studie från 2019 i Nature Chemical Biology visade att Bacillus subtilis-sporer kunde överleva inuti 3D-printade material och reagera på ytförändringar som sprickor. Nyare forskning i Nature Chemical Engineering fann att sporbaserade levande plaster kan tåla höga temperaturer och organiska lösningsmedel. Det fyndet är relevant för industriella processmiljöer, där vanliga biologiskt nedbrytbara material ofta misslyckas.
Shenzhen-prototypen är ett bevis på konceptet. Den behandlar ännu inte de plaster som utgör den största andelen av det globala avfallet. Att skala upp metoden till råpolymerer och utveckla praktiska aktiveringssystem utanför laboratoriet kommer att kräva avsevärt ytterligare arbete.
För investerare och beslutsfattare som följer plastföroreningar är den relevanta frågan om nedbrytning på kommando så småningom kan integreras i produktdesign i stor skala. Kortlivade produkter är en viktig källa till miljöföroreningar. Dessa inkluderar medicintekniska produkter, bärbara sensorer, jordbruksfilmer och engångsförpackningar. Ett material som förblir stabilt under användning och sedan bryts ner helt enligt instruktioner kan minska kostnaderna för bortskaffande och myndighetsansvar.
Forskningen ger ännu inget svar på den frågan. Vad den däremot visar är att levande material kan brytas ner helt, behålla funktionella egenskaper under användning och byggas in i elektroniska applikationer. Vart och ett av dessa resultat var tidigare osäkra.
Klimat- och biologisk mångfaldsspecialister har länge identifierat mikroplastföroreningar som en ökande miljörisk. Polymerfragment ackumuleras i marina ekosystem, jordbruksmark och mänsklig vävnad. Fullständig nedbrytning, snarare än fragmentering, är den standard som tillsynsmyndigheter och forskare i allt högre grad kräver. Shenzhen-studien visar en trovärdig väg mot att uppnå den, även om avståndet till kommersiell tillämpning fortfarande är betydande.
