Fermentai, kurie valgo polimerus, padaro „biologiškai skaidžius“ plastikus tikrai kompostuojamus

Pakeistas plastikas (kairėje) sulūžta tik po trijų dienų po standartinio komposto (dešinėje) ir po dviejų savaičių. Autorius: Christopheris DelRe, UC Berkeley

Fermentai, naudojami suvalgant polimerus, įterptus į plastiką, leidžia programiškai skaidytis.

Biologiškai skaidomas plastikas reklamuojamas kaip plastiką užteršančios problemos sprendimas, apimantis pasaulį, tačiau šiandieniniai „kompostuojami“ plastikiniai maišeliai, įrankiai ir stikliniai dangteliai kompostuojami ne per įprastą kompostavimo laiką ir neužteršia kitų perdirbamų plastikų, sukeldami galvos skausmą perdirbėjams. Dauguma kompostuojamų plastikų dažniausiai gaminami iš poliesterio, žinomo kaip polilaktiniai rūgštis, arba PLA, patenka į sąvartynus ir amžinai tarnauja plastikuose.

Kalifornijos universitetas, Berklis, mokslininkai dabar suprato, kaip per kelias savaites lengviau suskaidyti šiuos kompostuojamus plastikus šiluma ir vandeniu, kad būtų išspręsta plastiko pramonės ir aplinkosaugos veikėjų keliama problema.

„Žmonės nori rinktis biologiškai skaidžius polimerus, skirtus vienkartiniams plastikams, tačiau jei jiems pavyks sukurti daugiau problemų, nei jie nusipelno, politika gali būti pakeista“, – sakė UC Berkeley medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius Tingas Xu. ir chemija. „Mes iš esmės sakome, kad einame teisingu keliu. Mes galime išspręsti šią nuolatinę vienkartinių plastikų, kurie nėra biologiškai skaidomi, problemą. “

Xu yra pagrindinis straipsnio, apibūdinančio procesą, kuris pasirodys šios savaitės žurnalo numeryje, autorius Gamta.

Teoriškai naujas technologijas galima pritaikyti ir kitokio tipo poliesterio plastikams, galbūt leidžiant sukurti kompostuojamus plastikinius indus, kurie dabar yra pagaminti iš polietileno, nesuyrančio poliolefino tipo. Xu mano, kad poliolefino plastikai tampa vertingais produktais, o ne kompostu, ir jis ieško būdų, kaip pakartotinai panaudoti perdirbtus poliolefino plastikus.

Modifikuotas plastikinis PCL visiškai suyra šiltame vandenyje

PCL (polikaprolaktono) plastikinė gija (kairėje), kuri ištirpsta į lipazės fermento nanoklasterius, apsuptus RHP (suskaidyta), beveik visiškai suyra iki mažų molekulių per 36 valandas šiltame vandenyje (104 F). Autorius: Christopheris DelRe, UC Berkeley

Naujas procesas apima poliesterį valgančių fermentų įterpimą į plastiką. Šie fermentai yra apsaugoti paprasta polimerine danga, kuri apsaugo nuo fermentų išsiskyrimo ir daro juos nenaudingus. Veikiamas šilumos ir vandens, fermentas atsisako polimero dangos ir pradeda statyti plastikinį polimerą, esant PLA, kuris paverčiamas pieno rūgštimi, kad jis galėtų maitintis komposto dirvožemio mikrobais. Taip pat pablogėja polimerų kolekcija.

Procesas pašalina mikroplastiką, daugelio cheminių skaidymo procesų šalutinį produktą ir patį užterštumą. Iki 98% plastiko, pagaminto naudojant „Xu“ metodą, suyra į mažas molekules.

Vienas iš tyrimo autorių Aaronas Hallas, UC Berkeley doktorantas, įsteigė įmonę toliau plėtoti šiuos biologiškai skaidžius plastikus.

Plastikų savęs naikinimas

Plastikai yra suprojektuoti taip, kad paprastai nesulūžtų, kai jie naudojami, tačiau tai taip pat reiškia, kad išmesti jie nesulūžta. Patvariausios plastikos molekulinė struktūra yra beveik panaši į kristalą, nes polimero pluoštai yra taip sandariai iškloti, kad vanduo negali jų prasiskverbti, o ką jau kalbėti apie mikrobus, kurie gali kramtyti polimerus, kurie yra organinės molekulės.

Polimerų įtraukimas valgyti polimerus

Fermentai, tokie kaip lipazė (žali rutuliai), gali skaidyti plastikinius polimerus nuo paviršiaus (viršuje kairėje), tačiau jie atsitiktinai perpjauna polimero grandines, palikdami mikroplastiką (viršuje dešinėje). UC Berkeley komanda įdėjo fermentus į visą plastiką (apačioje kairėje), apsaugotą nanoklusteriais (spalvotų kamuoliukų virvelėmis). Vidiniai fermentai yra imobilizuojami šalia polimerų grandinių galo ir esant tinkamoms šilumos ir drėgmės sąlygoms, gale sugadina polimero molekules. Ši technika palaiko plastiko vientisumą, kai jis naudojamas, tačiau kai vartotojas pradeda depolimerizaciją, plastikas redukuojamas iki perdirbamų šalutinių mažų molekulių produktų. Kreditas: Christopherio DelRe grafika

Xu idėja buvo įterpti valgomuosius polimerinius fermentus tiesiai į plastiką ar kitą medžiagą nano mastu, kad juos būtų galima pagrobti ir apsaugoti, kol bus išleistos tinkamos sąlygos. 2018 m. Jis parodė, kaip tai veikia praktiškai. Jis ir jo UC Berkeley komanda įterpė fermentą, kuris toksinius cheminius organofosfatus skaido į sterilų pluoštą, kaip ir insekticiduose bei cheminiuose karo veiksniuose. Kai kilimėlis panardinamas į cheminę medžiagą, įterptasis fermentas suardo organofosfatą.

Pagrindinė jo naujovė buvo būdas apsaugoti fermentus, kuriuos baltymai paprastai gamina už įprastos aplinkos ribų, pavyzdžiui, gyvą ląstelę. Jis sukūrė molekules, vadinamas atsitiktiniais heteropolimerais arba RHP, kurios apgaubia fermentą ir švelniai juos laiko kartu, nemažindamos natūralaus jo lankstumo. RHP sudaro keturi monomerų subvienetų tipai, kurių kiekviena turi cheminių savybių, skirtų sąveikauti su cheminėmis grupėmis konkretaus fermento paviršiuje. Jie degraduoja ultravioletinėje šviesoje ir jų koncentracija yra mažesnė nei 1% plastiko masės, o tai yra pakankamai maža, kad būtų problema.

Tyrimams, paskelbtiems Gamta popieriuje Xu ir jo komanda naudojo panašią metodiką, įtraukdami fermentus į RHP ir milijardus šių nanodalelių įterpdami į plastiko dervos grūdus, kurie yra visos plastiko gamybos pradžios taškas. Šis procesas lyginamas su pigmentų įterpimu į plastiką, kad jie būtų spalvoti. Tyrėjai parodė, kad RHP padengti fermentai nepakeitė plastiko pobūdžio, nes jis galėjo ištirpti į pluoštus, tokius kaip paprastas poliesterio plastikas, ir ištraukti juos maždaug 170 laipsnių temperatūroje. Celsijaus, arba 338 laipsniai Farenheitas.

PLA plastikinis kompostas

Plastinė plėvelė PLA (polipieno rūgštis) nedelsiant kompostuojama (kairėje) ir kompostuojama savaitę (dešinėje). PLA plastikas, įterptas į fermentą, gali būti biologiškai skaidomas į paprastas molekules, todėl tai perspektyvu kaip būsima neskaidomo plastiko alternatyva. Kreditas: UC Berkeley Adomo Lau / Berkeley Engineering nuotr

Norėdami sukelti degradaciją, tereikėjo įpilti šiek tiek vandens ir šilumos. Kambario temperatūroje 80% pakitusių PLA skaidulų per savaitę visiškai suiro. Skilimas buvo greitesnis esant aukštai temperatūrai. Pramoninio kompostavimo sąlygomis modifikuotas PLA per šešias dienas buvo suardytas šešiais laipsniais Celsijaus (122 F). Kitas poliesterio plastikas, PCL (polikaprolaktonas), buvo suskaidytas per dvi dienas pramoninio kompostavimo sąlygomis esant 40 laipsnių Celsijaus (104 F) temperatūrai. Dėl PLA jis įterpė fermentą, vadinamą K proteinaze, kuris kramto PLA į pieno rūgšties molekules; PCL jis naudojo lipazę. Abu fermentai yra pigūs ir prieinami.

“Jei jį turėtumėte tik ant plastiko fermento, jis degtų labai lėtai”, – sakė Xu. “Norite jį visur paskirstyti nanoskopiškai. Iš esmės visi turi valgyti savo kaimynus iš polimerų ir visą medžiagą reikia išardyti.”

Kompostavimas

Greitas skilimas puikiai tinka komunaliniam kompostavimui, paprastai maisto ir augalų atliekos paverčiamos naudingu kompostu 60–90 dienų. Esant aukštai temperatūrai, pramoninis kompostavimas užtrunka mažiau laiko, tačiau esant tokiai temperatūrai modifikuoti poliesteriai taip pat greičiau skyla.

Ivanas jayapurna

Ivanas Jayapurna magistrantas su PCL (polikaprolaktono), naujo biologiškai skaidomo poliesterio plastiko, plėvelės pavyzdžiu. PCL su įterptais fermentais turi labai panašias mechanines savybes kaip mažo tankio polietilenas, todėl ateityje tai yra perspektyvi alternatyva biologiškai neskaidantiems plastikams. Kreditas: UC Berkeley Adomo Lau / Berkeley Engineering nuotr

Xu įtaria, kad aukštesnė temperatūra sujudina daugiau fermentų, leidžiančių jiems greičiau rasti ir sukramtyti polimero grandinės galą ir perduoti jį kitai grandinei. RHP surinkti fermentai taip pat linkę jungtis polimerų grandinių galuose, išlaikydami fermentus arti taikinių.

Pasak jo, pakitę poliesteriai nesuyra esant žemesnėms temperatūroms ar esant trumpam drėgmės periodui. Šiuo procesu pagaminti poliesterio marškiniai atlaikytų prakaitavimą ir skalbimą esant vidutinei temperatūrai, pvz. Tris mėnesius mirkant kambario temperatūros vandenyje, plastikas nepažeistas.

Mirkymas šiltame vandenyje sukelia degradaciją, kaip parodė jis ir jo komanda.

“Pasirodo, kompostuoti nepakanka: žmonės nori kompostuoti namuose, nesutepdami rankų, jie nori kompostuoti vandenyje”, – sakė jis. “Taigi mes bandėme tai pamatyti. Mes panaudojome šiltą vandentiekio vandenį. Įkaitinkite iki reikiamos temperatūros, įdėkite ir pamatykite, kaip jis išnyks per kelias dienas.”

„Xu“ kuria RHP padengtus fermentus, kurie gali suardyti kitų rūšių poliesterio plastiką, tačiau RHP taip pat keičiasi, kad juos būtų galima užprogramuoti sustabdyti skilimą tam tikru momentu ir visiškai sunaikinti medžiagą. Tai gali būti naudinga, jei plastikas vėl uždedamas ir paverčiamas nauju plastiku.

Projektą iš dalies remia Gynybos departamento kariuomenės tyrimų biuras, JAV kariuomenės kovos įgūdžių ugdymo vadovybės armijos tyrimų laboratorijos elementas.

„Šie rezultatai suteikia gražų pagrindą racionaliam polimerinių medžiagų, kurios gali pablogėti per palyginti trumpą laiką, dizainui, o tai gali duoti daug naudos armijos logistikai, susijusiai su atliekų tvarkymu“, – sakė dr. Stephanie McElhinny, „Army“ programos vadovė. Tyrimai. Biuras. “Apskritai šie rezultatai suteikia informacijos apie aktyvių biomolekulių įtraukimo į kietojo kūno medžiagas strategijas, kurios gali turėti įtakos įvairiems būsimos armijos pajėgumams, pavyzdžiui, aptikimo, nukenksminimo ir savaiminio gydymo medžiagoms.”

PLA kapsuliuotas plastiko fermentas

Plastinė PLA (polilaktinės rūgšties) plėvelė, įdėta į fermentą, gali būti greitai biologiškai skaidoma įprastame komposte. Kreditas: UC Berkeley Adomo Lau / Berkeley Engineering nuotr

Xu teigė, kad užprogramuotas degradavimas gali būti raktas į daugelio objektų perdirbimą. Įsivaizduokite, pasak jo, naudodami biologiškai skaidžius klijus, kad surinktumėte visas kompiuterio grandines ar telefonus ar elektroniką, tada, kai baigsite su jais, ištirpinkite klijus, numeskite prietaisą ir pakartotinai naudokite visas dalis.

“Tūkstantmečiams naudinga apie tai galvoti ir pradėti dialogą, kuris pakeis mūsų santykį su Žeme”, – sakė Xu. „Pažvelkite į visas atliekas, kurias mes išmetame: drabužius, batus, mobiliuosius telefonus ir elektroniką, pavyzdžiui, kompiuterius. Mes imame daiktus iš žemės didesniu greičiu, nei galime sugrįžti. Grįžkite ne į Žemę ieškoti šių medžiagų, o to, ką turite, ir kreipkitės į ką nors kita “.

Nuorodos: Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li, Corinne D. Scown, “Poliesterio depolimerizacija beveik nanomedžiagais disperguotais fermentais”. , Robertas O. Ritchie, Thomasas P. Russellas ir Tingas Xu, 2021 m. Balandžio 21 d., Gamta.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03408-3

Straipsnio autoriai yra Christopheris DelRe, Yufengas Jiangas, Philjunas Kangas, Junpyo Kwonas, Aaronas Hallas, Ivanas Jayapurna, Zhiyuanas Ruanas, Le Ma, Kyle’as Zolkinas, Timas Li ir Robertas Ritchie iš UC „Berkeley“; Corinne Scown iš Berkeley laboratorijos; ir Thomasas Russellas iš Masačusetso universiteto Amherste. Darbą pirmiausia finansavo JAV Energetikos departamentas (DE-AC02-05-CH11231), remiamas Armijos tyrimų biuro ir UC Berkeley bendros stipendijų programos.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Prognozuojama, kad ateivių rūšių padaugės 36% iki 2050 m

Egipto žąsis (Alopochen aegyptiaca), kilusi iš Afrikos, o dabar įsikūrusi Vidurio ir Vakarų Europoje. Autorius: profesorius Timas Blackburnas, UCL Tikimasi, kad šio amžiaus viduryje...

Dėl hormoninių vaistų neproliferaciniai baltymai gali išplisti koronavirusą ir sustabdyti ID-19 vystymąsi

Hormonų tyrimai gali sukelti AD-19 ginklų paplitimą. Kreditas: „Getty Images“ Naujas „Penny Medical“ tyrimas parodo, kaip anti-androgenai trukdo pagrindiniams receptoriams, reikalingiems virusų invazijai į...

Nuostabus „slapto“ objektyvo projektavimo metodas, kurį naudojo „mikrobiologijos tėvas“, rastas po 300 metų

Tai Van Leeuwenhoek mikroskopas. Autoriai: Utrechto universitetas / Rijksmuseum Boerhaave / TU Delft Mikroskopas, kurį Antoni van Leeuwenhoek naudojo novatoriškiems tyrimams atlikti, turi nuostabų...

Joninės sijos sudaro glaudžiai sujungtas „Qubits“ grandines.

Jonų pluoštai gali suformuoti glaudžiai suporuotas kvantinių bitų (kubitų) grandines, pagrįstas deimantų „azoto neturinčiais„ spalvų centrais “, skirtus naudoti kvantinės skaičiavimo aparatinėje įrangoje. ...

Tyrėjai kuria 3D atspausdintą želę biomedicininėms medžiagoms, minkštai robotikai

Hidrogelio medžiaga gaunama iš skirtingo dydžio dumblių dalelių. Paskola Orlino slėnis, NC valstybinis universitetas Dėl stiprumo ir lankstumo hidrogeliai sujungia du fizinius kiaušinius...

Newsletter

Subscribe to stay updated.