Несмотря на наши усилия по сортировке и переработке, в США перерабатывается менее 9% пластика, и большая его часть оказывается на свалке или в окружающей среде.
Биоразлагаемые пластиковые пакеты и контейнеры могут помочь, но если они не отсортированы должным образом, они могут загрязнить пригодные для вторичной переработки пластмассы №1 и №2. Что еще хуже, большинству биоразлагаемых пластиков требуются месяцы, чтобы разложиться, и когда они, наконец, разлагаются, они образуют микропластик - крошечные кусочки пластика, которые могут оказаться в океанах и телах животных, в том числе наших собственных.
Теперь, как сообщается в журнале Nature, ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли разработали активируемый ферментами компостируемый пластик, который может уменьшить загрязнение микропластиком и имеет большие перспективы для переработка пластика. Материал можно разбить на строительные блоки - небольшие отдельные молекулы, называемые мономерами, - а затем преобразовать в новый компостируемый пластиковый продукт.
В дикой природе ферменты - это то, что природа использует для разрушения вещей, и даже когда мы умираем, ферменты заставляют наши тела разлагаться естественным образом. Поэтому для этого исследования мы задались вопросом: «Как ферменты могут биоразлагать пластик, чтобы это часть природы?» сказал старший автор Тинг Сюй, который имеет звание старшего научного сотрудника отдела материаловедения лаборатории Беркли и профессора химии, материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли.
В лаборатории Беркли Сюй, которая почти 15 лет посвятила свою карьеру разработке функциональных полимерных материалов, вдохновленных природой, возглавляет междисциплинарную группу ученых и инженеров из университетов и национальных лабораторий по всей стране, чтобы решить проблема монтажа пластиковых свалок, создаваемая как одноразовым, так и так называемым биоразлагаемым пластиком.
Большинство используемых сегодня биоразлагаемых пластиков обычно изготавливаются из полимолочной кислоты (PLA), пластика на растительной основе, смешанного с кукурузным крахмалом. Существует также поликапролактон (PCL), биоразлагаемый полиэфир, который широко используется в биомедицинских целях, таких как тканевая инженерия.
Но проблема с обычным биоразлагаемым пластиком заключается в том, что он неотличим от одноразового пластика, такого как пластиковая пленка, поэтому большая часть этих материалов попадает на свалки. И даже если биоразлагаемый пластиковый контейнер попадает на предприятие по переработке органических отходов, он не может разлагаться так же быстро, как обеденный салат, который он когда-то содержал, поэтому в конечном итоге он загрязняет органические отходы, говорит соавтор Коринн Скоун, штатный научный сотрудник и заместитель директора отдела исследований, энергетического анализа и воздействия на окружающую среду в области энергетических технологий Berkeley Lab.
Еще одна проблема с биоразлагаемым пластиком заключается в том, что он не такой прочный, как обычный пластик, поэтому вы не можете носить тяжелые предметы в стандартном зеленом мешке для компоста. Компромисс заключается в том, что биоразлагаемый пластик может со временем разрушаться, но, по словам Сюй, он распадается только на микропластик, который остается пластиком, только намного меньше.
Итак, Сюй и ее команда решили применить другой подход - «наноконфигурировать» ферменты в пластик.
Заставляем ферменты работать
Поскольку ферменты являются частью живых систем, вся хитрость заключается в том, чтобы выделить в пластике безопасное место, где ферменты могли бы лежать бездействующими, пока их не призовут к действию.
В серии экспериментов Сюй и соавторы внедрили следовые количества коммерческих ферментов липазы Burkholderia cepacian (BC-lipase) и протеиназы K в пластиковые материалы PLA и PCL. Ученые также добавили защитное вещество для ферментов, называемое четырехмономерным случайным гетерополимером, или RHP, чтобы помочь рассеять ферменты на расстоянии нескольких нанометров (миллиардных долей метра).
Ученые обнаружили ошеломляющий результат: обычная вода из-под крана или стандартный почвенный компост превращают пластиковый материал, содержащий ферменты, в его низкомолекулярные строительные блоки, называемые мономерами, и уничтожают микропластик всего за несколько дней или недель.
Они также узнали, что BC-lipase является чем-то вроде привередливого «едока». Прежде чем липаза сможет преобразовать полимерную цепь в мономеры, она должна сначала захватить конец полимерной цепи. По словам Сюй, контролируя, когда липаза находит конец цепи, можно гарантировать, что материалы не разлагаются до тех пор, пока они не будут активированы горячей водой или компостной землей.
Кроме того, они обнаружили, что эта стратегия работает только тогда, когда BC-липаза является нанодисперсной (в данном случае всего 0,02 процента по весу в блоке PCL), а не случайным образом подбрасывается и смешивается.
«Нанодисперсия заставляет работать каждую молекулу фермента - ничего не пропадает зря», - сказал Сюй.
И это имеет значение при учете затрат. Промышленные ферменты могут стоить около 10 долларов за килограмм, но этот новый подход добавит лишь несколько центов к стоимости производства килограмма смолы, потому что количество требуемых ферментов очень мало, а срок годности материала составляет более 7 месяцев., - добавил Скоун.
Доказательство в компосте
Исследования рассеяния рентгеновских лучей, проведенные в Berkeley Lab Advanced Light Source, охарактеризовали нанодисперсию ферментов в пластиковых материалах PCL и PLA.
Эксперименты по межфазному натяжению, проведенные соавтором Томом Расселом, показали в режиме реального времени, как размер и форма капель изменялись по мере того, как пластиковый материал разлагался на отдельные молекулы. Лабораторные результаты также различают молекулы фермента и RHP.
«Тест интерфейса дает вам информацию о том, как происходит деградация», - сказал он. «Но доказательство в компостировании - Тинг и ее команда успешно извлекли пластиковые мономеры из биоразлагаемого пластика, просто используя RHP, воду и компостную почву."
Расселл - приглашенный научный сотрудник и профессор науки и инженерии полимеров Массачусетского университета, который возглавляет программу Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids в отделе материаловедения Berkeley Lab.
Разработка очень доступной и легко компостируемой пластиковой пленки может побудить производителей упаковывать свежие фрукты и овощи в компостируемый пластик, а не в одноразовую полиэтиленовую пленку, и, как следствие, сэкономить предприятиям по переработке органических отходов дополнительные расходы на инвестиции в дорогие машины для распаковки пластика, когда они хотят принять пищевые отходы для анаэробного сбраживания или компостирования, сказал Скоун.
Поскольку их подход потенциально может хорошо работать как с твердыми, жесткими пластиками, так и с мягкими, гибкими пластиками, Сюй хотел бы расширить свое исследование на полиолефины, широко распространенное семейство пластиков, обычно используемых для производства игрушек и электронных деталей.
По-настоящему компостируемый пластик команды может скоро появиться на прилавках. Недавно они подали заявку на патент через патентное бюро Калифорнийского университета в Беркли. А соавтор Аарон Холл, доктор философии. студент факультета материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли во время учебы основал стартап Intropic Materials Калифорнийского университета в Беркли для дальнейшего развития новой технологии. Недавно он был выбран для участия в Cyclotron Road, программе стипендий для предпринимателей в партнерстве с Activate.
«Когда дело доходит до решения проблемы пластика, наша экологическая ответственность заключается в том, чтобы взять природу на ее пути. Создав молекулярную карту с ферментами за рулем, наше исследование станет хорошим началом», - сказал Сюй.