un plastic modificat (stânga) se descompune după doar trei zile în compost standard (dreapta) și în întregime după două săptămâni. (UC Berkeley fotografie de Ting Xu)
materialele plastice biodegradabile au fost promovate ca o soluție la problema poluării cu plastic care afectează lumea, dar pungile de plastic „compostabile” de astăzi, ustensilele și capacele pentru pahare nu se descompun în timpul compostării tipice și contaminează alte materiale plastice reciclabile, creând dureri de cap pentru reciclatori. Cele mai multe materiale plastice compostabile, realizate în principal din poliester cunoscut sub numele de acid polilactic sau PLA, ajung în depozitele de deșeuri și durează atât timp cât materialele plastice pentru totdeauna.
Universitatea din California, Berkeley, oamenii de știință au inventat acum o modalitate de a face ca aceste materiale plastice compostabile să se descompună mai ușor, doar cu căldură și apă, în câteva săptămâni, rezolvând o problemă care a afectat industria materialelor plastice și ecologiștii.
„oamenii sunt acum pregătiți să se mute în polimeri biodegradabili pentru materiale plastice de unică folosință, dar dacă se dovedește că creează mai multe probleme decât merită, atunci Politica ar putea reveni”, a declarat Ting Xu, profesor UC Berkeley de știința și Ingineria Materialelor și de chimie. „Practic, spunem că suntem pe drumul cel bun. Putem rezolva această problemă continuă a materialelor plastice de unică folosință care nu sunt biodegradabile.”
Xu este autorul principal al unei lucrări care descrie procesul care va apărea în numărul din această săptămână al revistei Nature.
noua tehnologie ar trebui să fie teoretic aplicabilă altor tipuri de materiale plastice din poliester, permițând probabil crearea de recipiente din plastic compostabile, care în prezent sunt fabricate din polietilenă, un tip de poliolefină care nu se degradează. Xu crede că materialele plastice poliolefine sunt cel mai bine transformate în produse cu valoare mai mare, nu în compost și lucrează la modalități de transformare a materialelor plastice poliolefine reciclate pentru reutilizare.
un filament de plastic PCL (policaprolactonă) extrudat prin topire (stânga) cu nanoclustere încorporate ale enzimei lipază învelite cu RHP degradate aproape complet în molecule mici în decurs de 36 de ore în apă caldă (104 F). (Fotografii de Christopher DelRe)
noul proces implică încorporarea enzimelor care consumă poliester în plastic pe măsură ce este fabricat. Aceste enzime sunt protejate de un ambalaj simplu de polimer care împiedică enzima să se descurce și să devină inutilă. Când este expusă la căldură și apă, enzima ridică din umeri învelișul polimerului și începe să chompeze polimerul din plastic în blocurile sale de construcție — în cazul PLA, reducându-l la acid lactic, care poate hrăni microbii din sol în compost. Învelișul polimeric se degradează, de asemenea.
procesul elimină microplasticele, un produs secundar al multor procese de degradare chimică și un poluant în sine. Până la 98% din plasticul realizat folosind tehnica Xu se degradează în molecule mici.
unul dintre coautorii studiului, fostul doctorand UC Berkeley Aaron Hall, a lansat o companie pentru a dezvolta în continuare aceste materiale plastice biodegradabile.
realizarea auto-distrugerii plasticului
materialele plastice sunt concepute să nu se descompună în timpul utilizării normale, dar asta înseamnă, de asemenea, că nu se descompun după ce sunt aruncate. Cele mai durabile materiale plastice au o structură moleculară aproape cristalină, cu fibre polimerice aliniate atât de strâns încât apa nu le poate pătrunde, cu atât mai puțin microbii care ar putea mesteca polimerii, care sunt molecule organice.
enzime precum lipaza (bile verzi) pot degrada polimerii Plastici de la suprafață (stânga sus), dar au tăiat polimerul la întâmplare, lăsând microplasticele în urmă (dreapta sus). Un grup UC Berkeley a încorporat nanoclustere enzimatice în tot plasticul (stânga jos), protejate de heteropolimeri aleatori (lanțuri de bile colorate). Enzimele încorporate sunt imobilizate aproape de capătul lanțurilor polimerice și, în condițiile potrivite de căldură și umiditate, degradează moleculele de polimer în principal de la capătul lanțului. Această tehnică păstrează integritatea plasticului în timpul utilizării, dar, atunci când utilizatorul declanșează depolimerizarea, plasticul merge până la subproduse reciclabile cu molecule mici. (Grafică de Christopher DelRe)
ideea lui Xu a fost să încorporeze enzimele care consumă polimeri la scară nanometrică direct într-un material plastic sau alt material într-un mod care să le sechestreze și să le protejeze până când condițiile potrivite le dezlănțuie. În 2018, ea a arătat cum funcționează acest lucru în practică. Ea și echipa ei de la UC Berkeley au încorporat într-un covor de fibre o enzimă care degradează substanțele chimice organofosfatice toxice, cum ar fi cele din insecticide și agenți chimici de război. Când covorașul a fost scufundat în substanța chimică, enzima încorporată a descompus organofosfatul.
inovația ei cheie a fost o modalitate de a proteja enzima de destrămare, ceea ce proteinele fac de obicei în afara mediului lor normal, cum ar fi o celulă vie. Ea a proiectat molecule pe care le-a numit heteropolimeri aleatorii, sau RHP, care se înfășoară în jurul enzimei și o țin ușor împreună fără a-i limita flexibilitatea naturală. RHP-urile sunt compuse din patru tipuri de subunități monomere, fiecare cu proprietăți chimice concepute pentru a interacționa cu grupările chimice de pe suprafața enzimei specifice. Acestea se degradează sub lumina ultravioletă și sunt prezente la o concentrație mai mică de 1% din greutatea plasticului — suficient de scăzută pentru a nu fi o problemă.
pentru cercetarea raportată în lucrarea Nature, Xu și echipa ei au folosit o tehnică similară, învelind enzima în RHPs și încorporând miliarde din aceste nanoparticule în margele de rășină plastică care sunt punctul de plecare pentru toate fabricările de plastic. Ea compară acest proces cu încorporarea pigmenților în plastic pentru a le colora. Cercetătorii au arătat că enzimele învelite cu RHP nu au schimbat caracterul plasticului, care ar putea fi topit și extrudat în fibre precum plasticul normal din poliester la temperaturi de aproximativ 170 de grade Celsius sau 338 de grade Fahrenheit.
un film de PLA (acid polilactic) plastic imediat după ce a fost plasat în compost (stânga) și după o săptămână în compost (dreapta). Încorporat cu o enzimă, plasticul PLA se poate biodegrada la molecule simple, făcându-l promițător ca o alternativă viitoare la un plastic nedegradabil. (UC Berkeley fotografie de Adam Lau / Berkeley Engineering)
pentru a declanșa degradarea, era necesar doar să adăugați apă și puțină căldură. La temperatura camerei, 80% din fibrele PLA modificate s-au degradat în întregime în aproximativ o săptămână. Degradarea a fost mai rapidă la temperaturi mai ridicate. În condiții de compostare industrială, PLA modificat s-a degradat în șase zile la 50 de grade Celsius (122 F). Un alt plastic din poliester, PCL (policaprolactonă), degradat în două zile în condiții de compostare industrială la 40 de grade Celsius (104 F). Pentru PLA, ea a încorporat o enzimă numită proteinază K care mestecă PLA în molecule de acid lactic; pentru PCL, a folosit lipază. Ambele sunt enzime ieftine și ușor disponibile.
” dacă aveți enzima numai pe suprafața plasticului, aceasta ar fi gravată foarte încet”, a spus Xu. „Doriți să fie distribuit nanoscopic peste tot, astfel încât, în esență, fiecare dintre ei trebuie doar să-și mănânce vecinii polimerici, iar apoi întregul material se dezintegrează.”
compostare
degradarea rapidă funcționează bine cu compostarea municipală, care durează de obicei 60 până la 90 de zile pentru a transforma deșeurile alimentare și vegetale în compost utilizabil. Compostarea industrială la temperaturi ridicate necesită mai puțin timp, dar poliesterii modificați se descompun și mai repede la aceste temperaturi.
student absolvent Ivan Jayapurna cu un film de probă de PCL (policaprolactonă), un plastic nou, biodegradabil din poliester. PCL cu enzime încorporate are proprietăți mecanice foarte asemănătoare cu cele ale polietilenei de joasă densitate, făcându-l o alternativă viitoare promițătoare la materialele plastice non-biodegradabile. (UC Berkeley fotografie de Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu suspectează că temperaturile mai ridicate fac ca enzima învelită să se miște mai mult, permițându-i să găsească mai repede capătul unui lanț de polimeri și să-l mestece și apoi să treacă la următorul lanț. Enzimele înfășurate cu RHP tind, de asemenea, să se lege aproape de capetele lanțurilor polimerice, menținând enzimele în apropierea țintelor lor.
poliesterii modificați nu se degradează la temperaturi mai scăzute sau în perioade scurte de umiditate, a spus ea. O cămașă din poliester realizată cu acest proces ar rezista la transpirație și spălare la temperaturi moderate, de exemplu. Înmuierea în apă timp de trei luni la temperatura camerei nu a determinat degradarea plasticului.
înmuierea în apă călduță duce la degradare, așa cum au demonstrat ea și echipa ei.
„se pare că compostarea nu este suficientă — oamenii vor să facă compost în casa lor fără să-și murdărească mâinile, vor să facă compost în apă”, a spus ea. „Deci, asta am încercat să vedem. Am folosit apă caldă de la robinet. Doar încălziți-l la temperatura potrivită, apoi puneți-l și vedem în câteva zile că dispare.”
Xu dezvoltă enzime învelite în RHP care pot degrada alte tipuri de plastic poliesteric, dar modifică și RHPs, astfel încât degradarea să poată fi programată să se oprească într-un punct specificat și să nu distrugă complet materialul. Acest lucru ar putea fi util dacă plasticul ar fi retopit și transformat în plastic nou.
proiectul este parțial susținut de Biroul de Cercetare al Armatei al Departamentului Apărării, un element al Laboratorului de Cercetare al Armatei SUA pentru dezvoltarea capacităților de luptă ale Armatei.
„aceste rezultate oferă o bază pentru proiectarea rațională a materialelor polimerice care s-ar putea degrada pe perioade de timp relativ scurte, ceea ce ar putea oferi avantaje semnificative pentru logistica Armatei legate de gestionarea deșeurilor”, a declarat Stephanie McElhinny, Ph.D., Manager de program la Biroul de Cercetare al Armatei. „Mai pe larg, aceste rezultate oferă o perspectivă asupra strategiilor de încorporare a biomoleculelor active în materiale în stare solidă, care ar putea avea implicații pentru o varietate de capacități viitoare ale armatei, inclusiv materiale de detectare, decontaminare și auto-vindecare.”
un film de plastic PLA (acid polilactic) încorporat cu o enzimă pentru a-l face să se biodegradeze rapid în compostul obișnuit. (UC Berkeley fotografie de Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu a spus că degradarea programată ar putea fi cheia reciclării multor obiecte. Imaginați-vă, a spus ea, folosind lipici biodegradabil pentru a asambla circuite de calculator sau chiar telefoane întregi sau electronice, apoi, când ați terminat cu ele, dizolvând lipiciul astfel încât dispozitivele să se destrame și toate piesele să poată fi refolosite.
„este bine pentru Mileniali să se gândească la acest lucru și să înceapă o conversație care va schimba modul în care interacționăm cu Pământul”, a spus Xu. „Uită-te la toate lucrurile irosite pe care le aruncăm: îmbrăcăminte, încălțăminte, electronice precum telefoanele mobile și computerele. Luăm lucrurile de pe pământ într-un ritm mai rapid decât le putem returna. Nu vă întoarceți pe Pământ pentru a mea pentru aceste materiale, ci a mea orice aveți și apoi convertiți-l în altceva.”
coautorii lucrării includ Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Jun pyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li și Robert Ritchie de la UC Berkeley; Corinne Scown de la Berkeley Lab; și Thomas Russell de la Universitatea din Massachusetts din Amherst. Lucrarea a fost finanțată în principal de Departamentul Energiei din SUA (de-AC02-05-CH11231), cu asistență din partea Biroului de Cercetare al Armatei și a UC Berkeley ‘ s Bakar Fellowship program.