นักวิจัยชาวจีนพัฒนาพลาสติกมีชีวิตที่สามารถเปลี่ยนสถานะได้ และสามารถย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร ACS Applied Polymer Materials โดยอธิบายถึงเมทริกซ์โพลีแคโปรแลคโตนที่ฝังด้วยสปอร์ที่อยู่ในสภาวะพักตัวของแบคทีเรีย Bacillus subtilis ที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรม ภายใต้สภาวะปกติ วัสดุนี้จะมีพฤติกรรมเหมือนพลาสติกทั่วไป แต่เมื่อได้รับแรงกระตุ้น สปอร์ก็จะเริ่มทำงาน

ระบบแบคทีเรียทำงานอย่างไร

การออกแบบนี้อาศัยแบคทีเรียสองสายพันธุ์ที่ทำงานร่วมกันตามลำดับ สายพันธุ์แรกสร้างเอนไซม์ที่ตัดสายโซ่พอลิเมอร์ยาวๆ ให้เป็นชิ้นส่วนสั้นๆ ซึ่งจะสร้างจุดเข้าใหม่ๆ ทั่วทั้งวัสดุ จากนั้นเอนไซม์ตัวที่สองจะเข้าโจมตีชิ้นส่วนเหล่านั้นจากปลายทั้งสองข้าง เมื่อทำงานร่วมกัน แบคทีเรียทั้งสองสายพันธุ์จะเร่งการสลายตัวจนเหลือเพียงโมเลกุลขนาดเล็กเท่านั้น

กลไกสองขั้นตอนนี้นำเสนอเพื่อแก้ไขปัญหาที่พบได้บ่อยในพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพหลายชนิด พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพทั่วไปมักแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยก่อนที่จะสลายตัวไปอย่างสมบูรณ์ ชิ้นส่วนเหล่านั้นจะตกค้างอยู่ในดินและน้ำในรูปของไมโครพลาสติก แต่จากข้อมูลของทีมวิจัย วัสดุจากเซินเจิ้นนี้ย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่ทิ้งสารตกค้างดังกล่าว

โพลีแคโปรแลคโตนเป็นโพลีเอสเตอร์ที่ย่อยสลายได้ค่อนข้างง่าย มีการนำไปใช้ในเส้นใยสำหรับการพิมพ์ 3 มิติและไหมเย็บแผลที่ละลายได้ ซึ่งยังห่างไกลจากโพลีเอทิลีน โพลีโพรพีลีน และ PET ที่เป็นพลาสติกขยะหลักของโลก ถึงกระนั้น การทดลองก็ให้ผลลัพธ์พื้นฐานที่มีประโยชน์ ฟิล์มที่ฝังสปอร์ไว้ยังคงรักษาคุณสมบัติทางกลได้เทียบเท่ากับโพลีแคโปรแลคโตนมาตรฐาน การเติมแบคทีเรียที่มีชีวิตไม่ได้ทำให้วัสดุอ่อนแอลงในระหว่างอายุการใช้งาน

การเปิดใช้งานยังคงต้องอาศัยสภาวะในห้องปฏิบัติการ

เงื่อนไขการกระตุ้นยังคงถูกควบคุมอย่างเข้มงวด ในการทดลอง นักวิจัยได้วางแผ่นพลาสติกไว้ในน้ำซุปอาหารอุ่นๆ ที่อุณหภูมิประมาณ 50 องศาเซลเซียส จากนั้นสปอร์ก็จะทำงาน และแผ่นพลาสติกก็จะสลายตัวไปอย่างสมบูรณ์ภายในหกวัน

สภาวะเหล่านั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากสิ่งที่พบในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ ชิ้นส่วนพลาสติกที่มีชีวิตที่ถูกทิ้งจะไม่สามารถย่อยสลายได้ในหลุมฝังกลบ แม่น้ำ หรือถังปุ๋ยหมัก การกระตุ้นการทำงานต้องอาศัยการแทรกแซงโดยเจตนา ข้อจำกัดดังกล่าวจำกัดการใช้งานในระยะสั้น แต่ก็ช่วยลดความกังวลประการหนึ่งลงได้เช่นกัน นั่นคือ การเสื่อมสภาพก่อนกำหนดระหว่างการใช้งานหรือการจัดเก็บ

ทีมวิจัยยังได้ประดิษฐ์อิเล็กโทรดแบบสวมใส่ได้จากพลาสติกที่มีชีวิต ซึ่งสามารถตรวจจับสัญญาณกล้ามเนื้อจากแขนมนุษย์ได้ เมื่อถูกกระตุ้น อิเล็กโทรดจะสลายตัวภายในเวลาประมาณสองสัปดาห์ ในขณะที่วงจรทองแดงยังคงสภาพสมบูรณ์ การแยกโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ออกจากโลหะที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้นี้ ชี้ให้เห็นถึงแนวทางที่เป็นไปได้ในการจัดการกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบใช้แล้วทิ้ง ซึ่งในปัจจุบันวัสดุผสมทำให้การรีไซเคิลมีความซับซ้อนมากขึ้น

ตำแหน่งของงานวิจัยนี้ในบริบทของงานวิจัยที่กว้างขึ้น

งานวิจัยในเซินเจิ้นนี้ต่อยอดจากงานวิจัยด้านชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ที่กำลังเติบโตขึ้นเรื่อยๆ งานวิจัยในปี 2019 ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Chemical Biology แสดงให้เห็นว่าสปอร์ของแบคทีเรีย Bacillus subtilis สามารถอยู่รอดได้ภายในวัสดุที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิว เช่น รอยแตก งานวิจัยล่าสุดในวารสาร Nature Chemical Engineering พบว่าพลาสติกที่มีชีวิตจากสปอร์สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงและตัวทำละลายอินทรีย์ได้ การค้นพบนี้มีความสำคัญต่อสภาพแวดล้อมการประมวลผลทางอุตสาหกรรม ซึ่งวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพแบบมาตรฐานมักจะล้มเหลว

ต้นแบบที่เซินเจิ้นเป็นเพียงการพิสูจน์แนวคิดเท่านั้น ยังไม่สามารถแก้ไขปัญหาพลาสติกที่เป็นส่วนประกอบหลักของขยะทั่วโลกได้ การขยายแนวทางนี้ไปใช้กับพอลิเมอร์ทั่วไป และการพัฒนาระบบการกระตุ้นที่ใช้งานได้จริงนอกห้องปฏิบัติการ จะต้องอาศัยการทำงานเพิ่มเติมอีกมาก

สำหรับนักลงทุนและผู้กำหนดนโยบายที่ติดตามปัญหามลพิษจากพลาสติก คำถามสำคัญคือ การย่อยสลายตามคำสั่งจะสามารถบูรณาการเข้ากับการออกแบบผลิตภัณฑ์ในวงกว้างได้ในที่สุดหรือไม่ ผลิตภัณฑ์ที่มีอายุการใช้งานสั้นเป็นแหล่งสำคัญของมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ เซ็นเซอร์แบบสวมใส่ ฟิล์มทางการเกษตร และบรรจุภัณฑ์แบบใช้ครั้งเดียว วัสดุที่คงตัวในระหว่างการใช้งานและย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์ตามคำสั่งจะช่วยลดต้นทุนการกำจัดเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานและภาระผูกพันทางกฎหมายได้

งานวิจัยนี้ยังไม่สามารถให้คำตอบสำหรับคำถามนั้นได้ แต่สิ่งที่งานวิจัยนี้ได้แสดงให้เห็นคือหลักฐานที่บ่งชี้ว่าวัสดุที่มีชีวิตสามารถย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์ รักษาคุณสมบัติการใช้งานไว้ได้ และสามารถนำไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ ซึ่งผลลัพธ์เหล่านี้ก่อนหน้านี้ยังไม่แน่ชัด

ผู้เชี่ยวชาญด้านสภาพภูมิอากาศและความหลากหลายทางชีวภาพได้ระบุมานานแล้วว่า การปนเปื้อนของไมโครพลาสติกเป็นความเสี่ยงด้านสิ่งแวดล้อมที่ทวีความรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ เศษชิ้นส่วนของพอลิเมอร์สะสมอยู่ในระบบนิเวศทางทะเล ดินทางการเกษตร และเนื้อเยื่อของมนุษย์ การย่อยสลายอย่างสมบูรณ์มากกว่าการแตกตัวเป็นชิ้นเล็กๆ คือมาตรฐานที่หน่วยงานกำกับดูแลและนักวิจัยเรียกร้องมากขึ้นเรื่อยๆ การศึกษาในเซินเจิ้นแสดงให้เห็นถึงแนวทางที่น่าเชื่อถือประการหนึ่งในการบรรลุเป้าหมายดังกล่าว แม้ว่าระยะทางไปสู่การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์จะยังคงอีกมากก็ตาม