修正されたプラスチック(左)は、標準堆肥(右)でわずか3日後に分解し、完全に2週間後に分解する。 （Ting XuによるUC Berkeleyの写真)
生分解性プラスチックは、世界のプラスチック汚染問題の解決策の一つとして宣伝されていますが、今日の”堆肥化可能な”ビニール袋、食器、カップ蓋は、典型的な堆肥化中に分解されず、他のリサイクル可能なプラスチックを汚染し、リサイクル業者にとって頭痛を引き起こします。 主にポリ乳酸、またはPLAとして知られているポリエステルで作られたほとんどの堆肥化可能なプラスチックは、埋立地で終わり、永遠にプラスチック
カリフォルニア大学バークレー校の科学者たちは、これらの堆肥化可能なプラスチックを、熱と水だけで数週間以内により簡単に分解する方法を発明し、プラスチックス産業と環境保護主義者に衝撃を与えた問題を解決した。
「人々は今、使い捨てプラスチック用の生分解性ポリマーに移行する準備ができていますが、それが価値よりも多くの問題を引き起こすことが判明した “我々は基本的に我々は正しい軌道に乗っていると言っている。 私達は生物分解性でない単一使用プラスチックのこの継続問題を解決してもいいです。”
Xuは、今週のNature誌に掲載されるプロセスを説明する論文の上級著者です。
この新技術は理論的には他のタイプのポリエステルプラスチックに適用できるはずであり、おそらく現在は劣化しないポリオレフィンの一種であるポリエチレンで作られている堆肥化可能なプラスチック容器の作成を可能にするだろう。 Xuは、ポリオレフィンプラスチックは堆肥ではなく、より価値の高い製品に最もよく変換されると考えており、再利用のためにリサイクルされたポリオレフィンプラスチックを変換する方法に取り組んでいる。
rhpを封入した酵素リパーゼのナノクラスターが埋め込まれた溶融押出PCL（ポリカプロラクトン）プラスチックフィラメント（左）は、暖かい（104F）水で36時間以内にほぼ完全に小分子に分解した。 （クリストファー-デルレの写真)
新しいプロセスは、それが作られているようにプラスチック中にポリエステルを食べる酵素を埋め込 これらの酵素は酵素がuntangling、無用になることを防ぐ簡単なポリマー包むことによって保護される。 熱および水に露出されたとき、酵素はポリマー囲い板を離れて肩をすくめ、合成物の土の微生物に与えることができる乳酸にそれを減らすPLAの場合には— ポリマーラッピングも劣化します。
このプロセスは、多くの化学分解プロセスの副産物であり、汚染物質であるマイクロプラスチックを排除します。 Xuの技術を使用してなされるプラスチックの98%まで小さい分子に低下します。
この研究の共著者の一人、元UC Berkeley博士課程の学生Aaron Hallは、これらの生分解性プラスチックをさらに開発するために会社を分社化しました。
プラスチックを自滅させる
プラスチックは通常の使用中に分解しないように設計されていますが、それは廃棄された後も分解しないことを意 最も耐久性のあるプラスチックは、有機分子であるポリマーを噛む可能性のある微生物はもちろんのこと、ポリマー繊維が非常に緊密に整列しており、水が浸透することができないほど結晶のような分子構造をしています。
リパーゼ（緑のボール）のような酵素は、表面からプラスチックポリマーを分解することができます（左上）が、彼らは無作為にポリマーを切断し、マイクロプラスチックを後ろに残します（右上）。 UCバークレーグループは、ランダムなヘテロポリマー（色のボールの鎖）によって保護されたプラスチック（左下）全体に酵素ナノクラスターを埋め込みました。 埋め込まれた酵素はポリマー鎖の端の近くで固定化され、熱および湿気の右の条件の下で、鎖の端からポリマー分子を主に低下させます。 この技術は使用の間にプラスチックの完全性を保つが、ユーザーが解重合を誘発するとき、プラスチックは再生利用できる小さい分子の副産物にずっと （クリストファー-デルレによるグラフィック)
Xuのアイデアは、ナノスケールのポリマーを食べる酵素をプラスチックや他の材料に直接埋め込むことで、適切な条件がそれらを解放するまでそれらを 2018年には、これが実際にどのように機能するかを示しました。 彼女と彼女のUCバークレーのチームは、殺虫剤や化学兵器のような有毒な有機リン酸化学物質を分解する酵素を繊維マットに埋め込みました。 マットが化学物質に浸漬されると、埋め込まれた酵素は有機リン酸を破壊した。
彼女の重要な革新は、酵素が分解するのを防ぐ方法であり、タンパク質は通常、生きている細胞などの通常の環境の外で行う。 彼女は酵素のまわりで包み、自然な柔軟性を制限しないで穏やかにそれを一緒に握る彼女が任意ヘテロポリマー、かRHPsと呼ぶ分子を設計した。 RHPsは4種類の単量体サブユニットから構成され、それぞれが特定の酵素の表面上の化学基と相互作用するように設計された化学的性質を有する。 それらは紫外光の下で分解し、プラスチックの重量の1％未満の濃度で存在します—問題にならないほど十分に低いです。
Nature paperに報告された研究のために、Xuと彼女のチームは同様の技術を使用し、RHPsに酵素を埋め込み、すべてのプラスチック製造の出発点であるプラ 彼女はこのプロセスを、それらを着色するためにプラスチックに顔料を埋め込むことと比較します。 研究者らは、RHPで覆われた酵素は、摂氏170度または華氏338度の温度で通常のポリエステルプラスチックのように溶融して繊維に押し出すことができるプラスチックの特性を変化させなかったことを示した。
コンポストに入れた直後のPLA（ポリ乳酸）プラスチックのフィルム（左）とコンポストに一週間後のフィルム（右）。 酵素と埋め込まれて、PLAのプラスチックはそれを非degradableプラスチックに未来の代わりとして有望にさせる簡単な分子に生物分解することができます。 （Ucバークレー写真：Adam Lau/Berkeley Engineering)
劣化を引き起こすためには、水と少しの熱を加えるだけで済みました。 室温では、修飾されたPLA繊維の80％が約一週間以内に完全に分解した。 劣化はより高い温度でより速かった。 工業用堆肥化条件下では、修正されたPLAは50℃（122F）で六日以内に劣化した。 別のポリエステルプラスチック、PCL（ポリカプロラクトン）は、摂氏40度（104F）で産業堆肥化条件下で二日間で劣化しました。 PLAのために、彼女は乳酸の分子にPLAをかみ砕くプロテイナーゼKと呼出される酵素を埋め込みました;PCLのために、彼女はリパーゼを使用しました。 どちらも安価で容易に入手可能な酵素である。
「プラスチックの表面だけに酵素があると、それは非常にゆっくりとエッチングされるだけです」とXuは言いました。 「本質的には、それぞれがポリマーの隣人を食べるだけで、材料全体が崩壊するように、ナノスコープでどこにでも分散させたいと考えています。”
堆肥化
迅速な分解は、一般的に食品や植物の廃棄物を使用可能な堆肥に変えるのに60-90日かかる地方自治体の堆肥化でうまく機能します。 高温での工業用堆肥化には時間がかかりませんが、変性ポリエステルもこれらの温度でより速く分解します。
大学院生Ivan Jayapurnaは、新しい生分解性ポリエステルプラスチックであるPCL（ポリカプロラクトン）のサンプルフィルムを持っています。 酵素を組み込んだPCLは、低密度ポリエチレンの機械的特性と非常によく似ており、非生分解性プラスチックの有望な将来の代替品となっています。 （Ucバークレー写真：Adam Lau/Berkeley Engineering)
徐は、より高い温度が包まれた酵素をより多くの周りに移動させ、ポリマー鎖の終わりをより迅速に見つけてそれを噛んでから次の鎖に移動させる RHPで包まれた酵素はまた、ポリマー鎖の末端近くで結合する傾向があり、酵素を標的の近くに保つ。
変性ポリエステルは、低温や短時間の湿気では劣化しない、と彼女は述べた。 このプロセスで作られたポリエステルシャツは、例えば、適度な温度で汗や洗濯に耐えるでしょう。 室温で三ヶ月間水に浸漬してもプラスチックは劣化しなかった。
彼女と彼女のチームが実証したように、ぬるま湯に浸すことは劣化につながります。
「堆肥化は十分ではないことが判明しました—人々は手を汚さずに家で堆肥化したい、水で堆肥化したい」と彼女は言いました。 「それで、それが私たちが見ようとしたものです。 私たちは暖かい水道水を使用しました。 ちょうどそれを適切な温度に温めてから入れて、数日後に消えていくのがわかります。”
Xuは、他のタイプのポリエステルプラスチックを分解できるRHPラップ酵素を開発していますが、劣化が指定された点で停止し、材料を完全に破壊しないようにプログラムできるようにRHPsを修正しています。 これは、プラスチックを再溶融して新しいプラスチックに変える場合に便利かもしれません。
このプロジェクトは、米陸軍戦闘能力開発司令部の陸軍研究所の要素である国防総省の陸軍研究室によって一部支援されています。
「これらの結果は、比較的短いタイムスケールで劣化する可能性のあるポリマー材料の合理的な設計の基礎を提供し、廃棄物管理に関連する軍の物流に大きな利点をもたらす可能性があります」と、陸軍研究室のプログラムマネージャーであるStephanie McElhinny博士は述べています。 より広義には、これらの結果は、固体材料への活性生体分子の取り込みのための戦略への洞察を提供し、センシング、除染、自己治癒材料を含む将来の軍の様々な能力に影響を与える可能性がある。”
PLA（ポリ乳酸）プラスチックのフィルムに酵素が埋め込まれており、通常の堆肥に迅速に生 （Ucバークレー写真：Adam Lau/Berkeley Engineering)
Xuは、プログラムされた劣化は、多くのオブジェクトをリサイクルするための鍵である可能性があると述べました。 生分解性の接着剤を使ってコンピュータ回路や電話や電子機器全体を組み立てたら接着剤を溶かしてデバイスがバラバラになり、すべての部品を再利用できるようにしたと想像してみてください。
「ミレニアル世代がこれについて考え、私たちが地球との関わり方を変える会話を始めるのは良いことです」とXuは言いました。 “私たちが捨てるすべての無駄なものを見てください: 衣類、靴、携帯電話やコンピュータのような電子機器。 私たちは、私たちがそれらを返すことができるよりも速い速度で地球から物事を取っています。 これらの材料のために採掘するために地球に戻ってはいけませんが、あなたが持っているものは何でも採掘し、それを何か他のものに変換してくださ”
共著者には、カリフォルニア大学バークレー校のChristopher DelRe、Yufeng Jiang、Philjun Kang、Junpyo Kwon、Aaron Hall、Ivan Jayapurna、Zhiyuan Ruan、Le Ma、Kyle Zolkin、Tim Li、Robert Ritchie、Berkeley LabのCorinne Scown、マサチューセッツ大学アマースト校のThomas Russellがいる。 この作業は、主に米国エネルギー省（DE-AC02-05-CH11231）によって資金提供され、陸軍研究局とUCバークレーのBakar Fellowshipプログラムの支援を受けました。