Nova vrsta bioplastike mogla bi pomoći u smanjenju ekološkog otiska plastične industrije. Istraživači predvođeni Univerzitetom Kalifornije u San Dijegu razvili su biorazgradivi oblik termoplastičnog poliuretana (TPU), meke, ali izdržljive komercijalne plastike koja se koristi u obući, prostirkama, jastucima i memorijskoj peni. Ispunjen je bakterijskim sporama koje, kada su izložene hranljivim materijama prisutnim u kompostu, klijaju i razgrađuju materijal na kraju svog životnog ciklusa.
Rad je detaljno opisan u radu objavljenom 30. aprila u Nature Communications.
Biorazgradivi TPU je napravljen od bakterijskih spora iz soja Bacillus subtilis koji ima sposobnost da razgradi plastične polimerne materijale.
„To je inherentno svojstvo ovih bakterija“, rekao je jedan od viših autora studije Jon Pokorski, profesor nanoinženjeringa na UC San Diego Jacobs School of Engineering i ko-voditelj univerzitetskog Centra za istraživanje materijala i inženjeringa (MRSEC). „Uzeli smo nekoliko sojeva i procenili njihovu sposobnost da koriste TPU kao jedini izvor ugljenika, a zatim odabrali onaj koji je najbolje rastao.“
Istraživači su koristili bakterijske spore, uspavani oblik bakterija, zbog njihove otpornosti na oštre uslove životne sredine. Za razliku od spora gljivica, koje imaju reproduktivnu ulogu, spore bakterija imaju zaštitni proteinski štit koji omogućava bakterijama da prežive dok su u vegetativnom stanju.
Da bi napravili biorazgradivu plastiku, istraživači su ubacili spore Bacillus subtilis i TPU pelete u plastični ekstruder. Sastojci su pomešani i istopljeni na 135 stepeni Celzijusa, a zatim ekstrudirani kao tanke trake plastike.
Da bi se procenila biorazgradivost materijala, trake su postavljene i u mikrobno aktivnu i u sterilnu okolinu komposta. Postavke komposta su održavane na 37 stepeni Celzijusa sa relativnom vlažnošću u rasponu od 44 do 55%. Voda i drugi hranljivi sastojci u kompostu izazvali su klijanje spora unutar plastičnih traka, koje su dostigle 90% degradacije u roku od pet meseci.
„Ono što je izvanredno je da se naš materijal raspada čak i bez prisustva dodatnih mikroba“, rekao je Pokorski. „Velike su šanse da većina ove plastike verovatno neće završiti u objektima za kompostiranje bogatim mikrobima. Tako da ova sposobnost samorazgradnje u okruženju bez mikroba čini našu tehnologiju svestranijom.“
Iako istraživači još uvek moraju da prouče šta ostaje nakon što se materijal razgradi, primećuju da su sve spore bakterija koje se zadržavaju verovatno bezopasne. Bacillus subtilis je soj koji se koristi u probioticima i generalno se smatra bezbednim za ljude i životinje – čak može biti od koristi i za zdravlje biljaka.
U ovoj studiji, bakterijske spore su evolutivno projektovane da prežive visoke temperature neophodne za proizvodnju TPU-a. Istraživači su koristili tehniku nazvanu adaptivna laboratorijska evolucija da bi stvorili soj koji je otporan na temperature ekstruzije. Proces uključuje uzgoj spora, podvrgavanje ekstremnim temperaturama tokom eskalirajućih vremenskih perioda i omogućavajući im da prirodno mutiraju. Sojevi koji prežive ovaj proces se zatim izoluju i ponovo prolaze kroz ciklus.
„Neprekidno smo razvijali ćelije iznova i iznova dok nismo došli do soja koji je optimizovan da toleriše toplotu“, rekao je ko-stariji autor studije Adam Feist, naučnik istraživanja bioinženjeringa na UC San Diego Jacobs School of Engineering. „Neverovatno je koliko je ovaj proces bakterijske evolucije i selekcije funkcionisao u tu svrhu.“
Spore takođe služe kao punilo za jačanje, slično kao što armatura ojačava beton. Rezultat je TPU varijanta sa poboljšanim mehaničkim svojstvima, koja zahteva više sile za lomljenje i pokazuje veću rastezljivost.
„Obe ove osobine su u velikoj meri poboljšane samo dodavanjem spora“, rekao je Pokorski. „Ovo je sjajno jer dodavanje spora gura mehanička svojstva izvan poznatih ograničenja gde je ranije postojao kompromis između zatezne čvrstoće i rastezljivosti.“
Dok se trenutna studija fokusirala na proizvodnju manjih količina u laboratoriji kako bi se razumela izvodljivost, istraživači rade na optimizaciji pristupa za upotrebu u industrijskom obimu. Stalni napori uključuju povećanje proizvodnje na količine u kilogramima, razvoj bakterija da brže razgrađuju plastične materijale i istraživanje drugih vrsta plastike izvan TPU-a.
„Postoji mnogo različitih vrsta komercijalne plastike koje završavaju u životnoj sredini – TPU je samo jedan od njih“, rekao je Feist. „Jedan od naših sledećih koraka je da proširimo obim biorazgradivih materijala koje možemo da napravimo ovom tehnologijom.“
