Enzimele care consumă polimeri fac ca materialele plastice „biodegradabile” să fie cu adevărat compostabile

Un plastic modificat (stânga) se descompune după doar trei zile în compost standard (dreapta) și complet după două săptămâni. Credit: Christopher DelRe, UC Berkeley

Enzimele care mănâncă polimer încorporat în plastic permit degradarea programată.

Materialele plastice biodegradabile au fost promovate ca o soluție la problema poluării cu plastic care încurcă lumea, dar pungile de plastic „compostabile” de astăzi, recipientele și capacele paharelor nu se descompun în timpul compostării tipice și contaminează alte materiale plastice reciclabile, creând dureri de cap pentru reciclatori. Cele mai comprimabile materiale plastice, realizate în principal din poliester cunoscut sub numele de polilastic acid, sau PLA, ajung în depozitele de deșeuri și durează atâta timp cât materialele plastice pentru totdeauna.

Universitatea din California, Berkeley, oamenii de știință au inventat acum o modalitate de a face aceste materiale plastice compostabile perisabile mai ușor, cu doar căldură și apă, în câteva săptămâni, rezolvând o problemă care a lovit industria plasticelor și ecologiștii.

„Oamenii sunt acum pregătiți să treacă la materialele plastice biodegradabile pentru materialele plastice de unică folosință, dar dacă se dovedește că creează mai multe probleme decât merită, atunci politica se poate întoarce”, a spus Ting Xu, profesor de știință și inginerie a materialelor la Berkeley. , UC și chimie. „Practic spunem că suntem pe drumul cel bun. Putem rezolva această problemă persistentă 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 săptămânii al revistei Natură.

Noua tehnologie ar trebui să fie aplicabilă teoretic și altor tipuri de plastic din poliester, permițând eventual crearea de containere din plastic compostabile, care sunt în prezent fabricate din polietilenă, un tip de poliolefină nedegradabilă. Xu crede că materialele plastice din poliolefină se transformă cel mai bine în produse de valoare mai mare, nu în compost și lucrează la modalități de transformare a materialelor plastice din poliolefină reciclate pentru reutilizare.

Plasticul PCL modificat se degradează complet în apă caldă

O fibră plastică elastică PCL fuzionată (policaprolactonă) (stânga) cu nanoclastele enzimei lipazei încorporate acoperite cu RHP degradate aproape complet în molecule mici în 36 de ore în apă caldă (104 F). Credit: Christopher DelRe, UC Berkeley

Noul proces presupune încorporarea enzimelor care mănâncă poliesterul în plastic pe măsură ce este fabricat. Aceste enzime sunt protejate de o simplă folie de polimer care împiedică dizolvarea enzimei și devenirea inutilă. Atunci când este expusă la căldură și apă, enzima își îndepărtează umerii de polimer și începe să spargă polimerul de plastic în blocurile sale de construcție – în cazul PLA, reducându-l la acid lactic, care poate alimenta microbii solului în coșul de gunoi. Învelișul polimeric se degradează, de asemenea.

Procesul elimină microplasticele, un produs secundar al multor procese de degradare chimică și un contaminant separat. Până la 98% din materialele plastice fabricate folosind tehnica Xu se degradează în molecule mici.

Unul dintre coautorii studiului, fostul student doctorand UC Berkeley, Aaron Hall, a eliminat o companie pentru a dezvolta în continuare aceste materiale plastice biodegradabile.

Autodistrugerea plasticului

Materialele plastice sunt concepute să nu se rupă în timpul utilizării normale, dar înseamnă și că nu se rup după ce au fost aruncate. Cele mai rezistente materiale plastice au o structură moleculară aproape ca un cristal, cu fibre polimerice așezate atât de strâns încât apa nu le poate pătrunde, darămite microbii care pot mesteca polimerii, care sunt molecule organice.

Plasarea enzimelor alimentare polimerice

Enzimele cum ar fi lipaza (bile verzi) pot degrada polimerii plastici de la suprafață (stânga sus), dar taie lanțurile polimerice la întâmplare, lăsând microplasticele în urmă (sus). Un grup UC Berkeley a încorporat enzime în întregul plastic (în stânga jos), protejate de nanoclustri (lanțuri colorate cu bile). Enzimele încorporate sunt imobilizate aproape de capătul lanțurilor polimerice și, în condițiile potrivite de căldură și umiditate, degradează moleculele polimerice de jos. Această tehnică păstrează integritatea plasticului în timpul utilizării, dar atunci când utilizatorul provoacă depolimerizare, plasticul ajunge la subprodusele reciclabile ale moleculei mici. Credit: Grafic de Christopher DelRe

Ideea lui Xu a fost de a plasa enzimele care consumă polimeri pe nanoscală direct într-un plastic sau alt material într-un mod care le prinde și le protejează până când condițiile potrivite le eliberează. În 2018, ea a arătat cum funcționează acest lucru în practică. Ea și echipa ei UC Berkeley au încorporat într-un covor de fibre o enzimă care degradează substanțele chimice organofosfate toxice, precum cele din insecticide și agenții de război chimic. Când covorul a fost scufundat în substanțe chimice, enzima încurcată a descompus organofosfatul.

Principala sa inovație a fost o modalitate de a proteja enzima de clivaj, pe care proteinele o 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 înfășoară enzima și o mențin ușor împreună, fără a-i limita flexibilitatea naturală. RHP-urile constau din patru tipuri de subunități monomerice, fiecare cu proprietăți chimice create pentru a interacționa cu grupuri chimice de pe suprafața enzimei specifice. Acestea se degradează sub lumină ultravioletă și sunt prezente într-o concentrație mai mică de 1% din greutatea plasticului – atât de scăzută încât nu reprezintă o problemă.

Pentru cercetările raportate în Natură hârtie, Xu și echipa ei au folosit o tehnică similară, încorporând enzima în RHP și plasând miliarde din aceste nanoparticule prin margele de rășină din plastic, care sunt punctul de plecare pentru toate produsele din plastic. Ea compară acest proces cu implantarea de pigmenți în plastic pentru a le colora. Cercetătorii au arătat că enzimele acoperite cu RHP nu au modificat caracterul plasticului, care ar putea să se topească și să fie extrudat în fibră ca plasticul poliesteric normal la temperaturi de aproximativ 170 grade centigradsau 338 de grade Fahrenheit.

Îngrășământ plastic PLA

Un film plastic PLA (acid polilactic) imediat după ce este plasat în compost (stânga) și după o săptămână în compost (dreapta). Înglobat cu o enzimă, plasticul PLA poate fi biodegradat în molecule simple, făcându-l o alternativă promițătoare în viitor la un plastic nedegradabil. Credit: Fotografie UC Berkeley de Adam Lau / Berkeley Engineering

Pentru a provoca degradarea, a fost necesar doar să adăugați apă și puțină căldură. La temperatura camerei, 80% din fibrele modificate cu PLA se degradează complet în decurs de aproximativ o săptămână. Degradarea a fost mai rapidă la temperaturi mai ridicate. În condiții de compostare industrială, PLA modificat s-a degradat în decurs de șase zile până la 50 de grade Celsius (122 F). Un alt plastic poliesteric, PCL (policaprolactona), s-a degradat în decurs de două zile în condiții de compostare industrială la 40 de grade Celsius (104 F). Pentru PLA, încorporează o enzimă numită proteinază K care mestecă PLA în molecule de acid lactic; pentru PCL, ea a folosit lipaza. Ambele sunt enzime gratuite și disponibile.

“Dacă aveți doar enzima pe suprafața plasticului, aceasta va fi gravată foarte încet”, a spus Xu. „Vrei să se disperseze nanoscopic peste tot, astfel încât, practic, fiecare dintre ei trebuie doar să-și mănânce vecinii cu polimeri, iar apoi tot materialul să se dezintegreze”.

Compostare

Degradarea rapidă funcționează bine cu compostarea municipală, care durează de obicei 60 până la 90 de zile pentru a transforma alimentele și resturile vegetale în compost utilizabil. Compostarea industrială la temperaturi ridicate necesită mai puțin timp, dar poliesterii modificați se descompun mai repede la aceste temperaturi.

Ivan Jayapurna

Studentul absolvent Ivan Jayapurna cu un eșantion de film de PCL (policaprolactonă), un nou poliester din plastic biodegradabil. PCL cu enzime încorporate are proprietăți mecanice foarte asemănătoare cu cele ale polietilenei cu densitate mică, făcându-l o alternativă promițătoare în viitor pentru materialele plastice nebiodegradabile. Credit: Fotografie UC Berkeley de Adam Lau / Berkeley Engineering

Xu suspectează că temperaturile mai ridicate fac ca enzima înfășurată 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. De asemenea, enzimele acoperite cu RHP tind să se lege lângă capetele lanțurilor polimerice, menținând enzimele aproape de țintele 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, de exemplu, la transpirație și spălare la temperaturi moderate. Înmuierea în apă timp de trei luni la temperatura camerei nu a cauzat degradarea plasticului.

Absorbția în apă călduță duce la degradare, așa cum a demonstrat ea și echipa ei.

„Se pare că compostarea nu este suficientă – oamenii vor să facă compost în casă 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 în interior și vedem câteva zile că dispare. “

Xu dezvoltă enzime acoperite cu RHP care pot degrada alte tipuri de poliester plastic, dar modifică și RHP, astfel încât degradarea să fie programată să se oprească într-un anumit punct și să nu distrugă complet materialul. Acest lucru poate fi util dacă plasticul urmează să fie reconstruit și transformat în plastic nou.

Proiectul este susținut parțial de către Departamentul de Apărare al Armatei Biroul de Cercetare, un element al Laboratorului de Cercetare al Armatei Comandamentului de Dezvoltare a Capacității Armatei SUA.

„Aceste rezultate oferă o bază pentru proiectarea rațională a materialelor polimerice care se pot degrada într-un timp relativ scurt, ceea ce poate oferi avantaje semnificative logisticii armatei în ceea ce privește gestionarea deșeurilor”, a declarat Stephanie McElhinny, doctorat, manager de program al Armatei Biroul de cercetare. Mai pe larg, aceste rezultate oferă informații despre strategiile pentru încorporarea biomoleculelor active în materialele în stare solidă, care pot avea implicații pentru o varietate de capacități viitoare ale armatei, inclusiv materiale din pâslă, decontaminare și auto-vindecare. “

Enzimă încorporată din plastic PLA

O peliculă de plastic PLA (acid polilactic) încorporată cu o enzimă pentru a-l biodegrada rapid în îngrășăminte obișnuite. Credit: Fotografie UC Berkeley de Adam Lau / Berkeley Engineering

Xu a declarat că degradarea programată ar putea fi cheia reciclării multor instalații. Imaginați-vă, a spus ea, folosind adezivi biodegradabili pentru a asambla circuite de calculator sau chiar telefoane întregi sau electronice, apoi, când ați terminat cu ei, topiți adezivul astfel încât echipamentul să cadă și toate piesele să poată fi refolosite.

“Este bine ca milenarii să se gândească la acest lucru și să înceapă o conversație care va schimba modul în care interacționează cu Pământul”, a spus Xu. „Uită-te la toate lucrurile pierdute pe care le aruncăm: haine, încălțăminte, dispozitive electronice precum telefoanele mobile și computerele. Obținem lucrurile de la sol cu ​​o viteză mai mare decât le putem întoarce. Nu vă întoarceți pe Pământ la mine pentru aceste materiale, ci extrageți ceea ce aveți, apoi transformați-l în altceva. ”

Referință: „Depolimerizarea aproape completă a poliesterilor cu enzime nano-dispersate” de Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li, Corinne D. Scown, Robert O. Ritchie, Thomas P. Russell și Ting Xu, 21 aprilie 2021, Natură.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03408-3

Printre coautori ai lucrării se numără Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li și Robert Ritchie de la UC Berkeley; Corinne Scown la Berkeley Lab; și Thomas Russell de la Universitatea din Massachusetts la Amherst. Lucrarea a fost finanțată în principal de către Departamentul Energiei al SUA (DE-AC02-05-CH11231), cu asistență din partea Oficiului de Cercetare al Armatei și al programului UC Berkeley Copper Fellowship.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.