Wetenschap
Biologisch afbreekbaar levend plastic herbergt bacteriesporen die helpen bij de afbraak
Een nieuw type bioplastic zou de ecologische voetafdruk van de plasticindustrie kunnen helpen verkleinen. Onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een biologisch afbreekbare vorm van thermoplastisch polyurethaan (TPU) ontwikkeld, een zacht maar duurzaam commercieel plastic dat wordt gebruikt in schoenen, vloermatten, kussens en traagschuim. Het is gevuld met bacteriesporen die, wanneer ze worden blootgesteld aan de voedingsstoffen die in de compost aanwezig zijn, het materiaal aan het einde van zijn levenscyclus ontkiemen en afbreken.
Het werk wordt gedetailleerd beschreven in een artikel dat op 30 april werd gepubliceerd in Nature Communications .
Het biologisch afbreekbare TPU is gemaakt met bacteriesporen van een stam van Bacillus subtilis die het vermogen heeft om plastic polymeermaterialen af te breken.
"Het is een inherente eigenschap van deze bacteriën", zegt co-senior auteur Jon Pokorski, hoogleraar nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en mede-leider van het Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) van de universiteit. "We hebben een paar soorten genomen en hun vermogen om TPU's als enige koolstofbron te gebruiken geëvalueerd, en vervolgens degene gekozen die het beste groeide."
De onderzoekers gebruikten bacteriesporen, een slapende vorm van bacteriën, vanwege hun weerstand tegen barre omgevingsomstandigheden. In tegenstelling tot schimmelsporen, die een reproductieve rol vervullen, hebben bacteriële sporen een beschermend eiwitschild waardoor bacteriën kunnen overleven terwijl ze zich in een vegetatieve toestand bevinden.
Om het biologisch afbreekbare plastic te maken, stopten de onderzoekers sporen van Bacillus subtilis en TPU-pellets in een plastic extruder. De ingrediënten werden gemengd en gesmolten bij 135 graden Celsius en vervolgens geëxtrudeerd als dunne reepjes plastic.
Om de biologische afbreekbaarheid van het materiaal te beoordelen, werden de strips in zowel microbieel actieve als steriele compostomgevingen geplaatst. De compostopstellingen werden op 37 graden Celsius gehouden met een relatieve vochtigheid variërend van 44 tot 55%. Water en andere voedingsstoffen in de compost veroorzaakten de kieming van de sporen in de plastic strips, die binnen vijf maanden een afbraak van 90% bereikten.
"Wat opmerkelijk is, is dat ons materiaal zelfs afbreekt zonder de aanwezigheid van extra microben", zegt Pokorski. "De kans is groot dat de meeste van deze kunststoffen waarschijnlijk niet in microbieel rijke composteringsfaciliteiten terecht zullen komen. Dit vermogen om zichzelf af te breken in een microbenvrije omgeving maakt onze technologie dus veelzijdiger."
Hoewel de onderzoekers nog moeten onderzoeken wat er overblijft nadat het materiaal is afgebroken, merken ze op dat eventuele achtergebleven bacteriesporen waarschijnlijk onschadelijk zijn. Bacillus subtilis is een stam die wordt gebruikt in probiotica en wordt algemeen beschouwd als veilig voor mens en dier. Het kan zelfs gunstig zijn voor de gezondheid van planten.
In deze studie werden de bacteriesporen evolutionair gemanipuleerd om de hoge temperaturen te overleven die nodig zijn voor de productie van TPU. De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd adaptieve laboratoriumevolutie om een soort te creëren die bestand is tegen extrusietemperaturen. Het proces omvat het laten groeien van de sporen, het blootstellen aan extreme temperaturen gedurende langere perioden, en het toestaan dat ze op natuurlijke wijze muteren. De stammen die dit proces overleven, worden vervolgens geïsoleerd en opnieuw door de cyclus gehaald.
"We hebben de cellen steeds opnieuw ontwikkeld totdat we een soort bereikten die geoptimaliseerd is om de hitte te verdragen", zegt co-senior auteur Adam Feist, een bio-ingenieur onderzoeker aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Het is verbazingwekkend hoe goed dit proces van bacteriële evolutie en selectie voor dit doel heeft gewerkt."
De sporen dienen ook als versterkend vulmiddel, vergelijkbaar met hoe betonstaal beton versterkt. Het resultaat is een TPU-variant met verbeterde mechanische eigenschappen, die meer kracht vereist om te breken en een grotere rekbaarheid vertoont.
"Beide eigenschappen worden enorm verbeterd door alleen maar de sporen toe te voegen", zegt Pokorski. "Dit is geweldig omdat de toevoeging van sporen de mechanische eigenschappen verder brengt dan de bekende beperkingen waar voorheen een compromis bestond tussen treksterkte en rekbaarheid."
Terwijl de huidige studie zich richtte op het produceren van kleinere hoeveelheden op laboratoriumschaal om de haalbaarheid te begrijpen, werken de onderzoekers aan het optimaliseren van de aanpak voor gebruik op industriële schaal. Voortdurende inspanningen omvatten onder meer het opschalen van de productie naar hoeveelheden in kilogram, het ontwikkelen van de bacteriën om plastic materialen sneller af te breken, en het onderzoeken van andere soorten plastic dan TPU.
"Er zijn veel verschillende soorten commerciële kunststoffen die in het milieu terechtkomen; TPU is daar slechts één van", zegt Feist. "Een van onze volgende stappen is het verbreden van de reikwijdte van biologisch afbreekbare materialen die we met deze technologie kunnen maken."