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 разрушиться, и когда они наконец это сделают, они образуют микропластики – крошечные кусочки пластика, которые могут оказаться в океанах и телах животных, включая наши собственные.
Теперь, как сообщается в журнале Nature, ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли разработали ферментно-активируемый компостируемый пластик, который может уменьшить загрязнение микропластиков и имеет большие перспективы для вторичной переработки пластмасс. 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 разложения вещей, и даже когда мы умираем, ферменты заставляют наши тела разлагаться естественным образом. Поэтому для этого исследования мы спросили себя: «Как ферменты могут биоразлагать пластик, чтобы он стал частью природы?»?- сказал старший автор Тин Сюй, занимающий должности старшего научного сотрудника отделения 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 команду ученых и инженеров из университетов и национальных лабораторий по всей стране, чтобы решить проблему монтирования. пластиковых свалок, образованных как одноразовыми, так и так называемыми биоразлагаемыми пластиками.
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 значительная часть этих материалов оказывается на свалках. И даже если биоразлагаемый пластиковый контейнер попадет на место сбора органических отходов, он не может разрушиться так же быстро, как 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 с собой тяжелые предметы в стандартном зеленом мешке для компоста.
Компромисс заключается в том, что биоразлагаемый пластик со временем может разрушаться, но, тем не менее, по словам Сюй, он распадается только на микропластик, который по-прежнему пластиковый, только намного меньшего размера.
Поэтому Сюй и ее команда решили использовать другой подход – «наноконфигурировать» ферменты в пластмассы.
Заставляем ферменты работать
Поскольку ферменты являются частью живых систем, уловка будет заключаться в том, чтобы найти безопасное место в пластике, где ферменты будут бездействовать, пока они не будут вызваны к действию.
В серии экспериментов Сюй и соавторы встроили следовые количества коммерческих ферментов Burkholderia cepacian липазы (BC-липаза) и протеиназы K в пластиковые материалы PLA и PCL. Ученые также добавили защитное средство для ферментов, называемое четырехмономерным статистическим гетерополимером, или RHP, чтобы помочь диспергировать ферменты на расстоянии нескольких нанометров (миллиардных долей метра) друг от друга.
Получив потрясающий результат, ученые обнаружили, что обычная бытовая вода из-под крана или стандартные почвенные компосты превращают содержащий ферменты пластиковый материал в его мелкомолекулярные строительные блоки, называемые мономерами, и удаляют микропластик всего за несколько дней или недель.
Они также узнали, что BC-липаза очень привередлива в еде.«Прежде чем липаза сможет преобразовать полимерную цепь в мономеры, она должна сначала захватить конец полимерной цепи. «Контролируя, когда липаза обнаруживает конец цепи, можно гарантировать, что материалы не разлагаются до тех пор, пока они не будут вызваны горячей водой или компостной почвой», – пояснил Сюй.
Кроме того, они обнаружили, что эта стратегия работает только тогда, когда BC-липаза является нанодисперсной – в данном случае только 0.02 процента по весу в блоке PCL, а не случайным образом добавлены и смешаны.
«Нанодисперсия заставляет каждую молекулу фермента работать – ничего не пропадает», – сказал Сюй.
И это важно при учете затрат. Промышленные ферменты могут стоить около 10 долларов за килограмм, но этот новый подход добавит всего несколько центов к стоимости производства килограмма смолы, потому что количество необходимых ферментов настолько низкое, а срок хранения материала превышает 7. месяцев, Скаун добавлен.
Доказательство в компосте
Исследования рассеяния рентгеновских лучей, проведенные в лаборатории Advanced Light Source лаборатории Беркли, охарактеризовали нанодисперсию ферментов в пластиковых материалах PCL и PLA.
Эксперименты по межфазному натяжению, проведенные соавтором Томом Расселом, показали в реальном времени, как размер и форма капель изменяются по мере того, как пластмассовый материал распадается на отдельные молекулы.
Лабораторные результаты также различают молекулы фермента и RHP.
«Межфазный тест дает вам информацию о том, как происходит деградация», – сказал он. «Но доказательство тому – компостирование – Тинг и ее команда успешно извлекли пластиковые мономеры из биоразлагаемого пластика, просто используя RHP, воду и компостную почву."
Рассел – приглашенный научный сотрудник и профессор полимерологии и инженерии из 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 продукции упаковывать свежие фрукты и овощи в компостируемую пластиковую упаковку вместо одноразовой пластиковой пленки – и, как результат, сэкономить предприятиям по переработке органических отходов дополнительные расходы на инвестиции в дорогостоящую пластиковую упаковку. машины, когда они хотят принимать 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 до полиолефинов, вездесущего семейства пластмасс, обычно используемых для производства игрушек и электронных деталей.
По-настоящему компостируемый пластик команды скоро может появиться на полках.
Недавно они подали заявку на патент через патентное бюро Калифорнийского университета в Беркли. И соавтор Аарон Холл, доктор философии.D. Студент факультета материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли во время исследования основал стартап Intropic Materials в Калифорнийском университете в Беркли для дальнейшего развития новой технологии.
Недавно он был выбран для участия в Cyclotron Road, программе предпринимательских стипендий в партнерстве с Activate.
"Когда дело доходит до решения проблемы пластмасс, наша ответственность за окружающую среду состоит в том, чтобы идти своим путем с природой. «Назначив молекулярную карту с ферментами за рулем, наше исследование является хорошим началом», – сказал Сюй.