Plastika s bakterijama koje pomažu u razgradnji

Istraživači predvođeni Kalifornijskim sveučilištem u San Diegu razvili su biorazgradivi oblik termoplastičnog poliuretana (TPU), meke i izdržljive komercijalne plastike koja se koristi u obući, podnim prostirkama, jastucima i memorijskoj pjeni. Ispunjen je bakterijskim sporama koje, kada su izložene hranjivim tvarima prisutnim u kompostu, klijaju i razgrađuju materijal na kraju njegovog životnog ciklusa.

Biorazgradivi TPU izrađen je od bakterijskih spora iz soja Bacillus subtilis koji ima sposobnost razgradnje plastičnih polimernih materijala.

"To je inherentno svojstvo ovih bakterija", rekao je suautor studije Jon Pokorski, profesor nanoinženjerstva na Tehničkoj školi UC San Diego Jacobs i suvoditelj sveučilišnog Centra za istraživanje materijala, znanosti i inženjerstva (MRSEC) . "Uzeli smo nekoliko sorti i procijenili njihovu sposobnost korištenja TPU-a kao jedinog izvora ugljika, a zatim odabrali onu koja je najbolje rasla."

Istraživači su koristili bakterijske spore, uspavani oblik bakterija, zbog njihove otpornosti na teške uvjete okoliša. Za razliku od gljivičnih spora, koje imaju reproduktivnu ulogu, bakterijske spore imaju zaštitni proteinski štit koji omogućuje bakterijama preživljavanje dok su u vegetativnom stanju.

Kako bi napravili biorazgradivu plastiku, istraživači su spore Bacillus subtilis i TPU pelete ubacili u plastični ekstruder. Sastojci su pomiješani i otopljeni na 135 stupnjeva Celzijevih, a zatim ekstrudirani kao tanke plastične trake.

Kako bi se procijenila biorazgradivost materijala, trake su stavljene u mikrobno aktivna i sterilna okruženja komposta. Kompostna postrojenja su održavana na 37 stupnjeva Celzija s relativnom vlagom u rasponu od 44 do 55%. Voda i druge hranjive tvari u kompostu potaknule su klijanje spora unutar plastičnih traka, koje su dosegle 90% razgradnje u roku od pet mjeseci.

"Ono što je izvanredno je da se naš materijal razgrađuje čak i bez prisutnosti dodatnih mikroba", rekao je Pokorski. “Velika je vjerojatnost da većina te plastike vjerojatno neće završiti u postrojenjima bogatim mikrobima. Stoga ova sposobnost samorazgradnje u okruženju bez mikroba čini našu tehnologiju svestranijom.”

Iako istraživači još moraju proučiti što ostaje nakon razgradnje materijala, napominju da su sve zaostale bakterijske spore vjerojatno bezopasne. Bacillus subtilis je soj koji se koristi u probioticima i općenito se smatra sigurnim za ljude i životinje, a čak može biti koristan i za zdravlje biljaka.

U ovoj studiji, bakterijske spore su evolucijski projektirane da prežive visoke temperature potrebne za proizvodnju TPU-a. Istraživači su upotrijebili tehniku ​​zvanu adaptivna laboratorijska evolucija kako bi stvorili soj koji je otporan na temperature ekstruzije. Proces uključuje uzgoj spora, njihovo izlaganje ekstremnim temperaturama tijekom eskalirajućih vremenskih razdoblja i dopuštanje im da prirodno mutiraju. Sojevi koji prežive ovaj proces zatim se izoliraju i ponovno prolaze kroz ciklus.

"Neprestano smo razvijali stanice iznova i iznova dok nismo došli do soja koji je optimiziran za toleriranje topline", rekao je suautor studije Adam Feist, bioinženjerski istraživač na UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Nevjerojatno je koliko je dobro ovaj proces bakterijske evolucije i selekcije funkcionirao u tu svrhu."

Spore također služe kao punilo za ojačavanje, slično kao što armatura armira beton. Rezultat je TPU varijanta s poboljšanim mehaničkim svojstvima, koja zahtijeva više sile za lomljenje i pokazuje veću rastezljivost.

"Oba ova svojstva su uvelike poboljšana samim dodavanjem spora", rekao je Pokorski. "Ovo je sjajno jer dodavanje spora gura mehanička svojstva izvan poznatih ograničenja gdje je prije postojao kompromis između vlačne čvrstoće i rastezljivosti."

Dok je trenutna studija bila usmjerena na proizvodnju manjih količina u laboratorijskim razmjerima kako bi se razumjela izvedivost, istraživači rade na optimizaciji pristupa za upotrebu u industrijskim razmjerima. Tekući napori uključuju povećanje proizvodnje na kilogramske količine, razvijanje

Rad opisan u radu objavljenom 30. travnja 2024. u časopisu Nature Communications možete pronaći na ovoj poveznici.