Команда из Китайского университета Гонконга недавно продемонстрировала новый пластиковый материал с «живыми» свойствами: при определенных условиях он может саморазлагаться в течение от нескольких дней до двух недель, не оставляя следов микропластика. Встраивая «пожирающие пластик» микроорганизмы непосредственно в пластик, исследователи могут позволить материалам, которые почти трудно разложить, точно «запустить» их в конце их жизненного цикла, чтобы добиться быстрого и полного разложения.
Традиционно, как только пластик попадает в окружающую среду, на его разложение может уйти до тысячи лет, и даже кратковременно использованные упаковочные материалы могут сохраняться в виде микропластика в течение длительного времени, создавая совокупный риск для экосистем и здоровья человека. Напротив, материалы биологического происхождения и биологические ткани со временем будут распадаться и разлагаться. Эта «неизбежность» стала источником вдохновения для данного исследования: если пластмассы созданы как «механизм смерти», как и живые существа, можно ли изменить временной масштаб пластикового загрязнения в зависимости от источника?
Проект возглавляют ученые из Китайского университета Гонконга, разработавшие «живой пластик». Основной метод заключается во внедрении модифицированных бактериальных спор в пластиковую матрицу. Эти микроорганизмы находятся в состоянии покоя во время ежедневного использования и не влияют на характеристики материала; когда исследователи добавляют питательный раствор при определенной температуре, бактерии пробуждаются и начинают выделять ферменты, разлагающие пластик, «саморазрушающие» структуру материала изнутри.
Базовым материалом, выбранным исследовательской группой, является поликапролактон (PCL), который представляет собой пластик, который по своей природе подвержен разложению. В прошлом проводились соответствующие исследования по использованию микробных ферментов для его разложения. Разница в том, что эта работа не отделяла микроорганизмы от пластика, а интегрировала их в одно целое, так что в начале производства в материал была «предустановлена» собственная система деградации.
В качестве конкретного технического пути ученые выбрали Bacillus subtilis и спроектировали ее так, чтобы она могла эффективно производить ферменты, разлагающие полимеры в соответствующих условиях. В отличие от предыдущих исследований, в которых использовалась одна ферментная система, в этой работе были разработаны два фермента, которые взаимодействуют друг с другом: один тип фермента отвечает за «разрезание» длинноцепочечных полимеров в нескольких местах, быстро ослабляя пластиковый скелет; фермент другого типа продолжает расщеплять эти фрагменты на более мелкие молекулы для дальнейшего использования и обработки микроорганизмами.
Экспериментальные результаты показывают, что эта двухферментная система более эффективна, чем традиционный одноферментный раствор, и может обеспечить почти полную деградацию матрицы PCL в течение шести дней. В то же время, поскольку микроорганизмы инкапсулированы в пластиковую пленку в виде спор, механические свойства материала близки к обычным пленкам PCL, и он по-прежнему может удовлетворять требованиям гибкости и прочности во время использования.
Следует подчеркнуть, что этот «живой пластик» не будет внезапно самоуничтожаться без причины, и для его деградации необходимы определенные условия запуска. В качестве триггерной среды исследователи использовали раствор питательной культуры, нагретый примерно до 50 градусов Цельсия. При контакте культурального раствора с материалом активируются спящие споры, что немедленно запускает секрецию ферментов и процесс разложения пластика.
Чтобы проверить возможность практического применения, команда использовала этот материал для изготовления носимого электродного устройства и добавила в эксперимент раствор триггерной культуры, чтобы наблюдать за его полным процессом разложения. Результаты показали, что «живой электрод» практически полностью разложился в течение двух недель, в то время как электрод из коммерчески доступного пластика в контрольной группе оставался практически неповрежденным в тех же условиях, что подчеркивает преимущества нового материала с точки зрения скорости и тщательности разложения.
Исследователи также признают, что у этой технологии все еще есть ограничения. Прежде всего, это было проверено только в системах PCL, которые по своей природе подвержены разложению. В будущем потребуется дальнейшая адаптация материала и разработка процессов, чтобы продвигать его на рынок более распространенных пластиков (особенно одноразовых пластиков). Во-вторых, как и у большинства «биоразлагаемых» пластиков, эффект разложения сильно зависит от условий окружающей среды. В отсутствие конкретной инициирующей среды или подходящих микробных сообществ материал все равно может вести себя ближе к обычному пластику в естественной среде.
Однако известно, что PCL, субстрат, биоразлагается в почве или компосте, содержащем естественные микроорганизмы, разлагающие пластик, что в определенной степени снимает опасения, что «пусковые условия слишком суровы». Несмотря на это, исследовательская группа все еще надеется на дальнейшую разработку более универсальных методов запуска, таких как использование условий водной среды для активации материалов, поскольку большое количество пластика в конечном итоге попадает в реки и океаны. Только когда их можно эффективно вызвать и разложить в водоемах, можно существенно уменьшить загрязнение морской среды пластиком.
Заглядывая в будущее, ученые планируют распространить эту стратегию «имплантированный микроорганизм + двойная ферментная система» на большее количество типов пластика, особенно на те обычные пластики, которые широко используются в упаковке и одноразовых продуктах. Если эта идея созреет и будет применяться в больших масштабах, ожидается, что логика проектирования пластиковых изделий изменится с «учета только производительности» к «созданию в конце жизненного цикла с самого начала», что обеспечит новую технологическую отправную точку для глобального контроля пластикового загрязнения на материальном уровне.
В настоящее время это исследование опубликовано в журнале Applied Polymer Materials, а Американское химическое общество публикует дополнительные подробности и данные эксперимента. Поскольку международное сообщество продолжает искать пути «сокращения пластика» и «без пластика», этот вид «живого пластика», который может самоуничтожаться по требованию, представляет собой творческое и технически осуществимое новое направление того, как сократить экологическую жизнь пластика, не жертвуя при этом удобством.