Cercetătorii fac un plastic care include bacterii care îl pot digera

E viu! —

Sporii bacterieni întăresc plasticul, apoi revigorează pentru a-l digera în gropile de gunoi.

Unul dintre motivele pentru care deșeurile de plastic persistă în mediul înconjurător este că nu există prea multe care să le mănânce. Structura chimică a majorității polimerilor este stabilă și suficient de diferită de sursele alimentare existente, încât bacteriile nu au enzime care să le poată digera. Evoluția a început să schimbe însă această situație și au fost identificate o serie de tulpini care pot digera unele materiale plastice comune.

O echipă internațională de cercetători a decis să profite de aceste tulpini și să includă în plastic bacteriile care mănâncă plastic. Pentru a-i împiedica să-l mănânce în timp ce este în uz, bacteriile sunt amestecate sub formă de spori inactivi care ar trebui (în cea mai mare parte, mai multe despre asta mai jos) să înceapă să digere plasticul doar odată ce este eliberat în mediu. Pentru ca acest lucru să funcționeze, cercetătorii au trebuit să dezvolte o tulpină bacteriană care ar putea tolera procesul de fabricație. Se pare că bacteriile evoluate au făcut plasticul și mai puternic.

Bacteriile se întâlnesc cu plasticul

Materialele plastice sunt formate din polimeri, lanțuri lungi de molecule identice legate între ele prin legături chimice. Deși pot fi descompuse chimic, procesul este adesea consumator de energie și nu lasă în urmă substanțe chimice utile. O alternativă este ca bacteriile să o facă pentru noi. Dacă au o enzimă care rupe legăturile chimice ale unui polimer, ei pot folosi adesea moleculele mici rezultate ca sursă de energie.

Problema a fost că legăturile chimice din polimeri sunt adesea distincte de substanțele chimice pe care le-au întâlnit ființele vii în trecut, astfel încât enzimele care descompun polimerii au fost rare. Dar, cu zeci de ani de expunere la materiale plastice, acest lucru începe să se schimbe și o serie de tulpini bacteriene care mănâncă plastic au fost descoperite recent.

Acest proces de defalcare necesită totuși ca bacteriile și materialele plastice să se găsească reciproc în mediu. Așa că o echipă de cercetători a decis să pună bacteriile în plastic în sine.

Plasticul cu care au lucrat se numește poliuretan termoplastic (TPU), ceva ce puteți găsi peste tot, de la camerele bicicletei până la acoperirea cablurilor dumneavoastră ethernet. În mod convenabil, există deja bacterii care au fost identificate care pot descompune TPU, inclusiv o specie numită Bacillus subtiliso bacterie inofensivă a solului care ne-a colonizat și tractul digestiv. B. subtilis are, de asemenea, o caracteristică care îl face foarte util pentru această muncă: Formează spori.

Această caracteristică tratează una dintre cele mai mari probleme legate de încorporarea bacteriilor în materiale: materialele adesea nu oferă un mediu în care lucrurile vii pot prospera. Sporii, pe de altă parte, sunt folosiți de bacterii pentru a aștepta condițiile altfel intolerabile și apoi revin la creșterea normală când lucrurile se îmbunătățesc. Ideea din spatele noii lucrări este aceea B. subtilis sporii rămân în animație suspendată în timp ce TPU-ul este în uz și apoi îl reactivează și îl digeră odată ce este eliminat.

În termeni practici, acest lucru funcționează, deoarece sporii se reactivează doar odată ce condițiile nutriționale sunt suficient de promițătoare. Este puțin probabil ca un cablu Ethernet sau interiorul unei anvelope de bicicletă să vadă condiții care vor trezi bacteriile. Dar dacă același TPU ajunge într-o groapă de gunoi sau chiar pe marginea drumului, nutrienții din sol ar putea declanșa sporii să se apuce de digerarea acestuia.

Problema inițială a cercetătorilor a fost că fabricarea produselor TPU implică de obicei extrudarea plasticului la temperaturi ridicate, care sunt în mod normal folosite pentru a ucide bacteriile. În acest caz, ei au descoperit că o temperatură tipică de fabricație (130 ° C) a ucis peste 90 la sută din B. subtilis spori în doar un minut.

Deci, au început prin a expune B. subtilis spori la temperaturi mai scăzute și perioade scurte de căldură care au fost suficiente pentru a ucide majoritatea bacteriilor. Supraviețuitorii au fost crescuți, făcuți să sporuleze și apoi expuși la o perioadă puțin mai lungă de căldură sau chiar la temperaturi mai ridicate. Peste orar, B. subtilis a dezvoltat capacitatea de a tolera o jumătate de oră de temperaturi care ar ucide cea mai mare parte a tulpinii inițiale. Tulpina rezultată a fost apoi încorporată în TPU, care a fost apoi format în materiale plastice printr-un proces normal de extrudare.

Te-ai putea aștepta ca introducerea unei grămadă de material biologic într-un plastic să-l slăbească. Dar opusul s-a dovedit a fi adevărat, deoarece diferite măsuri ale rezistenței sale la tracțiune au arătat că plasticul care conținea spori era mai puternic decât plasticul pur. Se pare că sporii au o suprafață care respinge apa care interacționează puternic cu firele de polimer din plastic. Tulpina rezistentă la căldură a bacteriilor a respins apa și mai puternic, iar plasticul fabricat cu acești spori era și mai dur.

Pentru a simula depozitarea deșeurilor sau gunoiul cu plasticul, cercetătorii le-au plasat în compost. Chiar și fără bacterii, existau organisme prezente care l-ar putea degrada; la cinci luni în compost, TPU simplu și-a pierdut aproape jumătate din masă. Dar cu B. subtilis spori incorporati, plasticul si-a pierdut 93% din masa in aceeasi perioada de timp.

Asta nu înseamnă că problema noastră cu plasticul este rezolvată. Evident, TPU se strică relativ ușor. Există o mulțime de materiale plastice care nu se descompun semnificativ și ar putea să nu fie compatibile cu încorporarea sporilor bacterieni. În plus, este posibil ca unele utilizări ale TPU să expună plasticul la medii care ar activa sporii – ceva de genul manipularea alimentelor sau cablarea îngropată. Cu toate acestea, este posibil ca acest nou proces de defalcare să ofere o soluție în unele cazuri, ceea ce face ca merită explorat în continuare.

Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47132-8 (Despre DOI).

Imagine de listare de Han Sol Kim