Stworzyli żywy plastik. Koniec z tworzywami rozkładającymi się przez stulecia
Naukowcy stworzyli żywy plastik z bakteryjnymi przetrwalnikami. Po aktywacji materiał rozłożył się w 6 dni w warunkach laboratoryjnych.
Największy absurd wielu tworzyw polega po prostu na niedopasowaniu czasu użycia do czasu rozpadu. Kubek, folia, tacka albo drobny element opakowania bywają potrzebne przez minuty, godziny albo dni. Sam materiał może jednak zalegać w środowisku latami, rozdrabniać się, trafiać do gleby, rzek i mórz, a w końcu wracać jako mikroplastik.
Właśnie dlatego naukowcy coraz częściej próbują nie tyle czyścić świat z plastiku po fakcie, ile projektować materiały z zaprogramowanym końcem. Nowe badanie opisuje właśnie taki kierunek: żywy plastik, który w czasie normalnego użytkowania zachowuje się jak tworzywo, ale po otrzymaniu odpowiedniego sygnału zaczyna się rozkładać od środka.
Nie chodzi oczywiście o plastik pełzający po stole ani o aktywną kolonię bakterii pracującą w produkcie przez cały czas. W materiale zamknięto przetrwalniki bakterii Bacillus subtilis. To uśpiona, odporna forma mikroorganizmu, która potrafi przetrwać niekorzystne warunki i obudzić się dopiero wtedy, gdy otoczenie stanie się sprzyjające.
Bakterie śpią w materiale i czekają na sygnał
Badacze wykorzystali polikaprolakton, czyli PCL. To polimer znany m.in. z niektórych filamentów do druku 3D i rozpuszczalnych nici chirurgicznych. Jest bardziej podatny na biodegradację niż typowe masowe tworzywa, takie jak polietylen czy polipropylen, więc nie należy udawać, że od razu rozwiązano problem wszystkich plastikowych odpadów. To jest test na materiale, który dobrze nadaje się do sprawdzenia koncepcji.
Do PCL dodano przetrwalniki zmodyfikowanych bakterii. Zespół zaprogramował je tak, aby po aktywacji wytwarzały dwa enzymy rozkładające polimer. Pierwszy działa jak nożyczki tnące długie łańcuchy w losowych miejscach. Drugi przypomina maszynę, która bierze krótsze fragmenty i rozbiera je od końców na podstawowe elementy. To połączenie ma sens, bo samo cięcie mogłoby zostawić dużo drobnych resztek, a samo podgryzanie końców byłoby powolne. Razem enzymy działają szybciej i dokładniej.
W testach materiał miał właściwości mechaniczne podobne do zwykłej folii z polikaprolaktonu. Wiele ekologicznych materiałów przegrywa właśnie na etapie użytkowania: są kruche, miękkie, zbyt drogie albo nietrwałe wtedy, gdy trwałość jest jeszcze potrzebna. Tutaj chodzi o coś innego. Plastik ma być stabilny w czasie użycia, ale nie ma udawać wieczności po zakończeniu swojej roli.
Samozniszczenie nie dzieje się samo
Materiał nie rozłożył się po prostu dlatego, że leżał w wilgotnym miejscu albo trafił na ziemię. Przetrwalniki aktywowano pożywką w temperaturze 50 st. C. Dopiero wtedy bakterie zaczęły produkować enzymy, a plastik rozpadł się do podstawowych składników w ciągu 6 dni.
To oznacza, że mamy do czynienia z dowodem zasady, a nie już gotowym produktem do sklepu. Nie można jeszcze powiedzieć: oto plastik, który wyrzucasz i po tygodniu znika w naturze. Na razie naukowcy pokazali materiał, który można uruchomić określonym bodźcem i wtedy rozłożyć go bardzo szybko w kontrolowanych warunkach.
Klasyczny problem tworzyw biodegradowalnych polega na tym, że mają być jednocześnie stabilne i nietrwałe. To sprzeczne wymagania. Produkt nie może rozpaść się w magazynie, w transporcie ani podczas używania. Ma zniknąć dopiero później. Żywy plastik próbuje rozdzielić te dwie fazy: najpierw śpi, potem pracuje.
Bez mikroplastiku, przynajmniej w tym teście
Najmocniejszym punktem badania jest informacja, że w warunkach eksperymentu materiał został rozłożony bez tworzenia mikroplastiku. Wiele tworzyw znika tylko pozornie: rozpada się na coraz mniejsze fragmenty, które nadal są plastikiem, tylko trudniejszym do wyłapania. Mikroplastik jest właśnie takim niewygodnym spadkiem po naszej epoce tworzyw sztucznych.
W nowym materiale dwa enzymy miały działać tak, aby nie zostawić po sobie chmury drobnych resztek. Jeden enzym rozcinał łańcuchy polimerowe, drugi domykał proces, rozkładając krótsze fragmenty. W efekcie badacze opisują pełny rozpad do podstawowych budulców.
Trzeba jednak uważać ze skalą wniosku. Brak mikroplastiku w laboratoryjnym teście jednego materiału nie oznacza automatycznie, że podobnie zachowa się każdy produkt, w każdym środowisku i po masowej produkcji. Inaczej pracuje cienka folia w pożywce, inaczej wielowarstwowe opakowanie z barwnikami, dodatkami, klejami i zabrudzeniami. Droga od eleganckiego eksperymentu do odpadu z prawdziwego świata jest długa.
Naukowcy zrobili też prosty test użytkowy
Badacze nie poprzestali na samej folii. Jako demonstrację z żywego plastiku wykonali elastyczną elektrodę noszoną na ciele. Taki element miał działać zgodnie z przeznaczeniem, a później rozłożyć się w ciągu 2 tygodni. To dobry przykład potencjalnego zastosowania: krótko żyjąca elektronika, elementy medyczne, czujniki albo jednorazowe urządzenia, które nie powinny zostawać po człowieku przez dekady.
To właśnie takie nisze mogą być pierwszym rzeczywistym kierunkiem, a nie od razu wszystkie butelki, torby i opakowania. Materiały z bakteryjnymi przetrwalnikami będą wymagały kontroli bezpieczeństwa, oceny stabilności, regulacji i testów produkcyjnych. Łatwiej zacząć tam, gdzie cykl życia produktu jest dobrze opisany, a zbiórka i aktywacja rozkładu mogą odbywać się w kontrolowanym procesie.
W przypadku zwykłych śmieci komunalnych problem jest znacznie trudniejszy. Odpady trafiają do różnych strumieni, mieszają się, bywają mokre, brudne, podgrzewane, chłodzone i transportowane przez wiele etapów. Materiał, który potrzebuje konkretnej temperatury i pożywki, nie zadziała w takim świecie bez dodatkowej infrastruktury.
Czy to da się uruchomić w wodzie?
Autorzy chcą teraz opracować bodziec, który aktywowałby przetrwalniki w wodzie. To bardzo sensowny kierunek, bo ogromna część zanieczyszczeń plastikiem kończy w rzekach, jeziorach i oceanach. Gdyby materiał potrafił rozkładać się po kontakcie z wodą w określonych warunkach, mógłby lepiej pasować do rzeczywistego obiegu odpadów.
Ale właśnie tutaj zaczynają się najtrudniejsze pytania. Plastik nie może rozpadać się od każdej wilgoci, bo wtedy nie nadawałby się do wielu zastosowań. Musi istnieć jasny przełącznik: stabilny podczas użycia, aktywny po zakończeniu życia produktu. Do tego dochodzi kwestia uwalniania zmodyfikowanych mikroorganizmów. Nawet jeśli Bacillus subtilis jest dobrze znanym i powszechnie wykorzystywanym mikroorganizmem, produkty z inżynieryjnie zmienionymi bakteriami będą wymagały bardzo ostrożnych ocen.
Przeczytaj także:
To nie musi oczywiście od razu przekreślać pomysłu. Oznacza tylko, że bio-rewolucja w plastiku będzie bardziej przypominać inżynierię systemu niż prostą zamianę jednego materiału na drugi. Trzeba zaprojektować polimer, mikroorganizmy, enzymy, bodziec aktywujący, proces recyklingu albo kompostowania, a na końcu jeszcze przepisy i kontrolę bezpieczeństwa.
