Πολλά πλαστικά αντικείμενα χρησιμοποιούνται μόνο για λίγα λεπτά ή ώρες, αλλά το υλικό μπορεί να παραμείνει στο περιβάλλον για δεκαετίες ή και αιώνες. Οι ερευνητές διερευνούν τώρα μια διαφορετική προσέγγιση: το πλαστικό που έχει σχεδιαστεί για να αποσυντίθεται όταν ενεργοποιείται.
Γνωστά ως ζωντανά πλαστικά, αυτά τα υλικά περιέχουν αδρανή μικρόβια ικανά να υποβαθμίσουν το περιβάλλον πολυμερές. Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε από τον Dr Εφαρμοσμένα πολυμερή υλικά ACSΟι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μια έκδοση που αποσυντίθεται πλήρως σε έξι ημέρες χωρίς να παράγει μικροπλαστικά.
Ο Zhuojun Dai, αντίστοιχος συγγραφέας της εργασίας, εξήγησε ότι «η συνειδητοποίηση ότι τα παραδοσιακά πλαστικά διαρκούν για αιώνες, ενώ πολλές εφαρμογές όπως η συσκευασία είναι βραχύβιες, μας ώθησε να αναρωτηθούμε: Μπορούμε να ενσωματώσουμε άμεσα την υποβάθμιση στον κύκλο ζωής του υλικού;».
Μετατροπή μικροβίων σε ενσωματωμένο σύστημα απόρριψης
Μερικοί μικροοργανισμοί παράγουν φυσικά ένζυμα που κόβουν μακριές πολυμερείς αλυσίδες σε μικρότερα κομμάτια. Επειδή τα πλαστικά κατασκευάζονται από πολυμερή, οι ερευνητές διερευνούν εάν αυτά τα ένζυμα ή τα μικρόβια που τα παράγουν μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας σε πλαστικά υλικά.
«Με την ενσωμάτωση αυτών των μικροβίων, το πλαστικό μπορεί αποτελεσματικά να «ζωντανέψει» και να αυτοκαταστραφεί κατόπιν εντολής, μετατρέποντας τη βιωσιμότητα από ένα πρόβλημα σε ένα προγραμματιζόμενο χαρακτηριστικό», εξηγεί η Dye.
Τα προηγούμενα ζωντανά πλαστικά σχέδια βασίζονταν συχνά σε ένα μόνο ένζυμο, το οποίο περιόριζε το πόσο αποτελεσματικά θα μπορούσε να διασπαστεί το υλικό. Για να βελτιώσουν τη διαδικασία, ο Dai, ο Jin Geng, ο Dianpeng Qi και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν Bacillus subtilis για την παραγωγή δύο ενζύμων αποικοδόμησης πολυμερών που συνεργάζονται.
Το πρώτο ένζυμο κόβει μακριές αλυσίδες πολυμερών σε τυχαία σημεία, σπάζοντας τις σε μικρότερα κομμάτια. Το δεύτερο στη συνέχεια λειτουργεί από τις άκρες αυτών των θραυσμάτων, διασπώντας τα περαιτέρω σε μεμονωμένα δομικά στοιχεία μονομερούς.
Πλήρης ανάλυση σε έξι ημέρες
Οι ερευνητές συνδυάζουν λανθάνουσα B. subtilis σπόρια με πολυκαπρολακτόνη (ένα πολυμερές κοινό στην τρισδιάστατη εκτύπωση και σε ορισμένα χειρουργικά ράμματα). Η διατήρηση των βακτηρίων σε μορφή σπορίων τα προστατεύει έως ότου η ομάδα είναι έτοιμη να ξεκινήσει τη διαδικασία αποικοδόμησης.
Το έτοιμο ζωντανό πλαστικό είχε τις ίδιες μηχανικές ιδιότητες με τις τυπικές μεμβράνες πολυκαπρολακτόνης. Ήταν ισχυρό και λειτουργικό υπό κανονικές συνθήκες, υποδηλώνοντας ότι η προσθήκη σπορίων δεν αποδυνάμωσε σημαντικά το υλικό.
Για να ενεργοποιήσει τα βακτήρια, η ομάδα πρόσθεσε ένα θρεπτικό ζωμό θερμαινόμενο στους 122 βαθμούς Φαρενάιτ (50 βαθμούς Κελσίου). Τα σπόρια γίνονται ενεργά και αρχίζουν να παράγουν δύο ένζυμα. Μέσα σε έξι ημέρες, το πλαστικό περιορίστηκε πλήρως στα βασικά του δομικά στοιχεία.
Επειδή τα ένζυμα δούλευαν διαδοχικά, το υλικό δεν διασπάστηκε απλώς σε μικρά πλαστικά κομμάτια. Η διαδικασία ήταν αρκετά αποτελεσματική για να αποτρέψει το σχηματισμό μικροπλαστικών κατά την αποσύνθεση.
Μια φορητή συσκευή που εξαφανίζεται
Για να δείξουν πιθανή χρήση στον πραγματικό κόσμο, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα φορετό πλαστικό ηλεκτρόδιο από ζωντανό υλικό. Η συσκευή λειτούργησε όπως προβλεπόταν και υποβαθμίστηκε πλήρως μέσα σε δύο εβδομάδες από την ενεργοποίηση.
Το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι τα ζωντανά πλαστικά θα μπορούσαν τελικά να χρησιμοποιηθούν σε προϊόντα που πρέπει να είναι ανθεκτικά για περιορισμένο χρονικό διάστημα, αλλά δεν θα πρέπει να επιβιώσουν από την απόρριψή τους.
Άλλες πλαστικές τεχνολογίες επεκτείνονται
Η ομάδα ελπίζει τώρα να αναπτύξει μια μέθοδο που ενεργοποιεί τα βακτηριακά σπόρια στο νερό, όπου συσσωρεύεται σημαντικό μέρος της πλαστικής ρύπανσης.
Αν και τα πειράματα επικεντρώθηκαν σε ένα μόνο πολυμερές, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ίδια γενική τεχνική θα μπορούσε να προσαρμοστεί και για άλλα υλικά, συμπεριλαμβανομένων των πλαστικών που χρησιμοποιούνται ευρέως σε προϊόντα μιας χρήσης.
Οι συγγραφείς αναγνωρίζουν τη χρηματοδότηση από το Εθνικό Πρόγραμμα Έρευνας και Ανάπτυξης της Κίνας, το Ταμείο Ιατρικής Έρευνας Shenzhen, το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας, το Ταμείο Φυσικών Επιστημών του Γκουανγκντόνγκ για διακεκριμένους νέους μελετητές και το Πρόγραμμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Shenzhen.
