นักวิจัยชาวจีนพัฒนา "พลาสติกมีชีวิต" ที่สลายตัวได้ภายในหกวัน

งานวิจัยนี้มาจากสถาบันเทคโนโลยีฮาร์บินและสถาบันเทคโนโลยีขั้นสูงเซินเจิ้น ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน นักวิจัยสร้างวัสดุดังกล่าวขึ้นโดยใช้โพลีแคโปรแลคโตน หรือ PCL ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและถูกนำไปใช้แล้วในงานพิมพ์ 3 มิติและไหมเย็บแผล ทีมวิจัยได้ฝังสปอร์ที่อยู่ในสภาวะพักตัวของแบคทีเรีย Bacillus subtilis ลงในพอลิเมอร์นั้น สปอร์เหล่านั้นได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมให้ผลิตเอนไซม์ที่ย่อยสลายพลาสติกเมื่อถูกกระตุ้น

งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ACS Applied Polymer Materials

กระบวนการเสื่อมสภาพทำงานอย่างไร

วัสดุนี้มีคุณสมบัติเหมือนพลาสติกทั่วไปจนกว่าจะมีคนกระตุ้นมัน การเติมสารอาหารลงไปจะปลุกสปอร์ให้ตื่นขึ้น จากนั้นกระบวนการทางเอนไซม์สองขั้นตอนจะเริ่มต้นขึ้น เอนไซม์ตัวแรกจะตัดสายโซ่พอลิเมอร์ยาวๆ ให้เป็นชิ้นส่วนที่สั้นลง เอนไซม์ตัวที่สองจะย่อยสลายชิ้นส่วนเหล่านั้นให้เหลือเพียงองค์ประกอบทางเคมีพื้นฐาน ลำดับขั้นตอนนี้จะป้องกันการย่อยสลายที่ไม่สมบูรณ์ซึ่งเป็นสาเหตุของการเกิดไมโครพลาสติก

ในงานวิจัยพบว่าการเสื่อมสภาพอย่างสมบูรณ์ใช้เวลาหกวัน ระยะเวลาดังกล่าวเป็นเวลาหลังจากการกระตุ้นโดยเจตนา ไม่ใช่เวลาตั้งแต่ขั้นตอนการผลิต พลาสติกยังคงรักษาความแข็งแรงทางกลไว้ในระหว่างการใช้งานปกติ นั่นคือเจตนาในการออกแบบ

นักวิจัยยังได้ผลิตอิเล็กโทรดพลาสติกแบบสวมใส่ได้จากวัสดุชนิดเดียวกัน อิเล็กโทรดดังกล่าวทำงานได้ตามที่คาดไว้ในระหว่างการใช้งาน แล้วก็ชำรุดเสียหายในเวลาประมาณสองสัปดาห์

เหตุใดไมโครพลาสติกจึงทำให้เรื่องนี้มีความสำคัญ

พลาสติกทั่วไปย่อยสลายช้าและไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดการสะสมของอนุภาคไมโครพลาสติกในดิน แหล่งน้ำ และระบบนิเวศทางทะเล ปัจจุบันตรวจพบอนุภาคเหล่านี้ในเลือด เนื้อเยื่อปอด และห่วงโซ่อาหารของมนุษย์ทั่วโลก หน่วยงานต่างๆ รวมถึงโครงการสิ่งแวดล้อมแห่งสหประชาชาติ ได้บันทึกระดับการปนเปื้อนนี้ไว้อย่างละเอียดแล้ว

วัสดุ PCL-สปอร์ช่วยแก้ปัญหาดังกล่าวได้อย่างสิ้นเชิง เนื่องจากกระบวนการทางเอนไซม์เกิดขึ้นในสองขั้นตอน โพลิเมอร์จึงไม่หยุดชะงักที่ขั้นตอนการแตกตัว แต่จะดำเนินต่อไปจนถึงระดับโมเลกุลที่เป็นหน่วยย่อย ส่วนว่าหน่วยย่อยเหล่านั้นจะปลอดภัยในทุกสภาพแวดล้อมหรือไม่นั้น เป็นคำถามที่วัสดุต้นแบบไม่ได้กล่าวถึง และ Climate Solutions News ไม่สามารถตรวจสอบข้อเท็จจริงนั้นได้อย่างอิสระ

สาขาชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ได้ศึกษาค้นคว้าวัสดุที่ย่อยสลายได้เองมานานหลายปีแล้ว งานวิจัยชิ้นนี้เป็นหนึ่งในตัวอย่างที่แสดงให้เห็นถึงแนวคิดดังกล่าวอย่างเป็นรูปธรรมในระดับวัสดุ โดยมีกำหนดเวลาที่ชัดเจนและกลไกที่ได้รับการเผยแพร่แล้ว

ช่องว่างระหว่างผลลัพธ์ในห้องปฏิบัติการและการนำไปใช้งานจริง

ผลลัพธ์ที่ได้นั้นจำเพาะเจาะจงกับสภาวะควบคุมในห้องปฏิบัติการเท่านั้น กลไกการกระตุ้นต้องอาศัยสารอาหาร ซึ่งสามารถจัดการได้ในสภาพแวดล้อมการกำจัดขยะอุตสาหกรรมหรือทางการแพทย์ แต่ยังไม่ชัดเจนว่ากลไกดังกล่าวจะทำงานอย่างไรในขยะจากผู้บริโภค ซึ่งสภาพการกำจัดขยะมีความแตกต่างกันอย่างมาก

ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังตรวจสอบว่าแนวทางนี้สามารถนำไปใช้กับพอลิเมอร์ประเภทอื่นได้หรือไม่ พวกเขายังกำลังสำรวจการปรับใช้สำหรับสภาพแวดล้อมทางน้ำด้วย มลพิษจากพลาสติกในแม่น้ำและมหาสมุทรนั้นแก้ไขได้ยากเป็นพิเศษเมื่อวัสดุเข้าสู่ระบบเหล่านั้นแล้ว พลาสติกที่สามารถกระตุ้นและย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์ในน้ำจะเปลี่ยนวิธีการกำจัดอย่างมีนัยสำคัญ เอกสารต้นฉบับระบุว่านี่เป็นทิศทางการวิจัย และยังไม่มีการเผยแพร่ผลลัพธ์จากงานวิจัยนั้น

ปัจจุบัน PCL เป็นพอลิเมอร์เฉพาะกลุ่ม สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพภายใต้สภาวะที่เหมาะสม แต่มีส่วนแบ่งในการผลิตพลาสติกทั่วโลกน้อยมาก พลาสติกที่มีปริมาณการผลิตมากที่สุด เช่น โพลีเอทิลีน โพลีโพรพีลีน และ PET มีความท้าทายทางเคมีที่แตกต่างออกไป ยังเป็นคำถามที่เปิดกว้างว่าการย่อยสลายโดยใช้สปอร์จะสามารถนำมาปรับใช้กับวัสดุเหล่านั้นได้หรือไม่

ประเด็นนี้มีส่วนเกี่ยวข้องอย่างไรกับการถกเถียงเรื่องพลาสติกในวงกว้าง

จากข้อมูลขององค์การเพื่อความร่วมมือและการพัฒนาทางเศรษฐกิจ (OECD) การผลิตพลาสติกทั่วโลกเกิน 400 ล้านตันในปี 2022 อัตราการรีไซเคิลยังคงต่ำ พลาสติกส่วนใหญ่ลงเอยด้วยการฝังกลบ การเผา หรือปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม แรงกดดันด้านกฎระเบียบกำลังเพิ่มขึ้น โดยการเจรจาเกี่ยวกับสนธิสัญญาพลาสติกโลกของสหประชาชาติยังคงดำเนินอยู่จนถึงกลางปี ​​2025

งานวิจัยของ PCL ไม่ได้กล่าวถึงด้านการผลิต แต่กล่าวถึงด้านการกำจัด สำหรับนักลงทุนและผู้กำหนดนโยบายที่ติดตามวงการวิทยาศาสตร์วัสดุ ความแตกต่างนี้มีความสำคัญ แนวทางการแก้ปัญหาเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานไม่ได้ลดปริมาณการผลิต แต่ในทางทฤษฎีแล้วสามารถลดภาระด้านสิ่งแวดล้อมของสิ่งที่ผลิตไปแล้วได้

งานวิจัยที่ตีพิมพ์เผยแพร่แสดงให้เห็นถึงหลักการพื้นฐาน วัสดุนั้นย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์ตามระยะเวลาที่กำหนด ด้วยกลไกที่ทราบแล้ว การขยายแนวคิดนั้นไปสู่กระบวนการผลิต ระบบจัดการของเสีย และกรอบการกำกับดูแลเป็นความท้าทายอีกประการหนึ่ง นักวิจัยไม่ได้กล่าวอ้างเป็นอย่างอื่น

สิ่งที่งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นคือ การออกแบบวัสดุให้หายไปได้ตามต้องการนั้นสามารถทำได้ในทางเทคนิค ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นที่แตกต่างจากที่อุตสาหกรรมนี้มีมาตลอดช่วงศตวรรษที่ผ่านมา