Живой пластик: революционный подход к устойчивой деградации пластика

Пластики стали неотъемлемой частью современной жизни, но их долговечность и устойчивость к деградации привели к значительным экологическим проблемам. Для решения этой насущной проблемы исследовательская группа доктора Дая Чжоцзюня в Шэньчжэньском институте передовых технологий (SIAT), входящем в состав Китайской академии наук (CAS), разработала новаторское решение — разлагаемые «живые пластики», созданные с помощью синтетической биологии и полимерной инженерии. Их исследование под названием «Разлагаемые живые пластики, запрограммированные с помощью инженерных спор», было недавно опубликовано в журнале *Nature Chemical Biology* и представляет собой новый метод создания экологически чистых пластиков, которые могут разрушаться при определенных условиях.

Использование силы естественной устойчивости

Инновационный подход, принятый командой SIAT, использует естественную устойчивость спор Bacillus subtilis, которые известны своей способностью выдерживать экстремальные условия окружающей среды, такие как сухость, высокие температуры и высокое давление — условия, которые также типичны для переработки пластика. Исследователи генетически модифицировали эти споры для производства липазы Burkholderia cepacia (BC-липазы), мощного фермента, который может разрушать пластиковые материалы.

Эти сконструированные споры затем смешивали с поли(капролактоном) (PCL), биоразлагаемым полиэстером, для создания «живого пластика». Споры остаются спящими внутри пластиковой матрицы в нормальных условиях, гарантируя, что материал сохраняет свои физические свойства и стабильность при регулярном использовании. Однако, когда пластиковая поверхность разрушается или подвергается воздействию определенных экологических триггеров, таких как компостирование, споры активируются. После активации они начинают выделять фермент, разрушающий пластик, инициируя процесс, который приводит к почти полному разложению пластика.

Инновационные механизмы деградации

Исследование продемонстрировало два основных метода высвобождения спор и инициирования процесса деградации. В первом методе внешний фермент, липаза CA, используется для эрозии пластиковой поверхности, позволяя спорам прорастать и экспрессировать BC-липазу. Это приводит к быстрой и эффективной деградации пластика PCL, при этом молекулярный вес падает до менее 500 г/моль в течение шести-семи дней. Напротив, обычные пластики PCL, подвергнутые только поверхностному повреждению без активации спор, сохраняли значительное количество мусора даже через 21 день.

Второй метод подразумевает компостирование живого пластика в почве. Без каких-либо внешних агентов пластик полностью разлагается в течение 25–30 дней, в то время как традиционным пластикам PCL требуется около 55 дней, чтобы разложиться до аналогичного уровня, который не виден невооруженным глазом.

За пределами PCL: расширение сферы применения

Осознавая потенциал этой технологии, исследовательская группа проверила применимость своего метода к другим типам коммерческих пластиков, включая полибутиленсукцинат (PBS), полибутиленадипат-ко-терефталат (PBAT), полимолочную кислоту (PLA), полигидроксиалканоаты (PHA) и даже полиэтилентерефталат (PET). Результаты были многообещающими: споры могли выдерживать температуру обработки до 300°C и, будучи высвобожденными посредством физического измельчения или экологических триггеров, все еще могли возрождаться и проявлять свои способности к разложению пластика.

Промышленный потенциал и будущие последствия

Чтобы оценить масштабируемость этой технологии, исследовательская группа провела мелкомасштабное промышленное испытание с использованием одношнекового экструдера на системе PCL. Полученные живые пластики сохраняли свою форму и стабильность во время эксплуатации, даже в сложных условиях, таких как погружение в Sprite на два месяца. После запуска живые пластики быстро деградировали, что еще раз демонстрирует их практическую жизнеспособность для промышленного применения.

Это исследование представляет собой значительный прогресс в области устойчивых материалов. Внедряя искусственные споры в пластиковые матрицы, команда SIAT создала новый класс пластика, который сочетает в себе прочность, необходимую для практического использования, со способностью эффективно разлагаться по окончании срока службы. Этот прорыв предлагает многообещающее решение глобального кризиса загрязнения пластиком, с потенциалом революционизировать способ производства, использования и утилизации пластика в будущем.

Заключение

Разработка «живого пластика» командой доктора Дая Чжоцзюня в SIAT знаменует собой важную веху в поисках устойчивых материалов. Используя синтетическую биологию и полимерную инженерию, команда представила новый метод создания пластика, который одновременно долговечен в повседневном использовании и способен быстро разлагаться в определенных условиях окружающей среды. Это нововведение не только решает насущную проблему загрязнения пластиком, но и открывает новые возможности для разработки экологически чистых материалов, которые могут способствовать более устойчивому будущему.