Als je opkijkt van je scherm en om je heen kijkt, het is vrijwel zeker dat er iets van synthetisch plastic binnen handbereik zal zijn (misschien zelfs de kleding die je draagt). Mensen maken pas ongeveer 100 jaar plastic, maar we hebben er al ongeveer 8 geproduceerd, 300 miljoen ton ervan sinds de jaren vijftig - dat is ongeveer het gewicht van 25, 000 Empire State-gebouwen. En, omdat de overgrote meerderheid van kunststoffen niet biologisch afbreekbaar is, bijna al het plastic van die eeuw is nog ergens op aarde, van de ingewanden van vissen en zeevogels tot watervergiftigende stortplaatsen tot de Great Pacific Garbage Patch. En zelfs als we ze niet kunnen zien, microplastics doordringen nu de lucht die we inademen en kunnen in onze longen terechtkomen, en hun gezondheidseffecten zijn nog niet bekend.

Kunststoffen zijn alomtegenwoordig geworden omdat ze veel voordelen hebben ten opzichte van natuurlijk voorkomende materialen:ze kunnen ongelooflijk sterk en toch licht van gewicht zijn, ze kunnen flexibel of stijf zijn (of beide), ze zijn waterdicht, en ze zijn goedkoop te vervaardigen en te verzenden. Het geheime ingrediënt dat kunststoffen zo robuust en veelzijdig maakt, zijn koolwaterstofpolymeren - lange ketens van aan elkaar geregen koolstof- en waterstofatomen waarvan de rangschikking hen die waardevolle eigenschappen geeft. De toevoeging van andere elementen aan de koolwaterstoffen, zoals zuurstof, stikstof, en zwavel—creëert verschillende soorten kunststoffen die optimaal geschikt zijn voor verschillende taken, van het delicate polyethyleen met lage dichtheid (LDPE) dat wordt gebruikt om plasticfolie te maken tot het ongelooflijk duurzame polycarbonaat, wat 200 keer sterker is dan glas.

Van wondermiddel tot probleem

De allereerste kunststoffen werden in de vroege jaren 1900 gemaakt door industriëlen die experimenteerden met enkele van de bijproducten die werden geproduceerd door de raffinage van steenkool, een fossiele brandstof die rijk is aan koolwaterstoffen. Toen de Verenigde Staten in 1941 de Tweede Wereldoorlog binnengingen, de vraag naar plastic explodeerde toen natuurlijke hulpbronnen snel schaars werden. Kunststoffen werden gebruikt om cruciale oorlogsbenodigdheden zoals parachutes, touwen, windschermen, en banden met de grote volumes die het leger nodig had om zijn troepen uit te rusten. De vraag naar kunststoffen was zo groot dat de Amerikaanse overheid subsidies verstrekte om bedrijven aan te moedigen fabrieken te bouwen op basis van goedkopere, toegankelijker aardolie (een andere op koolstof gebaseerde fossiele brandstof) in plaats van steenkool.

Nadat de oorlog voorbij was, kunststofproducenten verlegden hun aandacht naar de huishoudelijke sfeer, plastic alternatieven aanprijzen als hygiënischer, goedkoop, en moderner dan bestaande producten. Plastic begon traditionele materialen te vervangen in veel objecten zoals frisdrankflessen, kleding, en verpakking, en creëerde geheel nieuwe producten zoals Formica werkbladen, Tupperware, en piepschuim. Het leek erop dat bijna elk aspect van het leven voorbestemd was om geplastificeerd te worden. Tegen de jaren zestig, echter, de effecten van 's werelds open armen omhelzing van plastic begonnen alarm te slaan. Mensen begonnen plastic afval op te merken op stranden, en er kwam steeds meer bewijs dat chemische additieven die uit plastic producten uitlogen schadelijk waren voor zowel mens als milieu.

Ondanks deze zorgen, duurzamere alternatieven voor plastic hebben het nog niet met succes vervangen. Petrochemische bedrijven ontvangen nog steeds jaarlijks tientallen miljarden dollars aan overheidssubsidies die op aardolie gebaseerde kunststoffen goedkoop houden, en milieuvriendelijkere "bioplastics" afgeleid van biologische materialen maken momenteel minder dan 1% uit van de totale plasticmarkt. De meeste bioplastics worden geproduceerd door het zetmeel te vergisten, suikers, en cellulose gevonden in planten om ethanol te produceren, of melkzuur, die vervolgens wordt verfijnd tot de chemische bouwstenen die worden gebruikt om kunststoffen te maken. Echter, om dit proces op te schalen om aan de huidige vraag van de wereld te voldoen, zou zoveel land nodig zijn om de benodigde planten te laten groeien dat we hele leefgebieden zouden vernietigen en onze eigen voedselvoorziening zouden bedreigen.

Gelukkig voor de wereld, Wyss Institute onderzoekswetenschappers Shannon Nangle, doctoraat en Marika Ziesack, doctoraat nemen dit probleem aan door een goedkope bron van biologisch afbreekbare plastics te ontwikkelen, hebben helemaal geen planten nodig, en een verwaarloosbare ecologische voetafdruk hebben:microben.

Ontmoet de microben

Terwijl de meesten van ons bacteriën beschouwen als "beestjes" die ofwel "goed" zijn (degenen die in onze darmen leven) of "slecht" (degenen die infecties veroorzaken), Nangle en Ziesack zien ze als kleine fabriekjes die kunnen worden ontworpen om de polymere bouwstenen van kunststoffen gemakkelijker en duurzamer te produceren dan ze te raffineren uit aardolie of planten.

"Zoals alle levende organismen, bacteriën moeten voedsel opnemen, er energie en voedingsstoffen uit halen, en afval uitscheiden om te overleven. Bacteriën zijn heel gemakkelijk te kweken en te bestrijden, dus wetenschappers bestuderen hun innerlijke werking al heel lang, en we zijn nu op een punt waar we ze genetisch en metabolisch kunnen manipuleren om te veranderen wat ze eten en wat ze produceren, ’ zei Ziesack.

Zij en Nangle experimenteren sinds 2017 met op microben gebaseerde kunststoffen, toen ze werden geïnspireerd door het Bionic Leaf-project dat hun adviseur, Wyss kernfaculteitslid Pamela Silver, doctoraat, mede gemaakt. Ze scherpten aan op een specifieke microbe genaamd Cupriavidus necator, die waterstof- en kooldioxidegassen opneemt en een proces gebruikt dat gasfermentatie wordt genoemd om ze om te zetten in essentiële moleculen. Een van de verbindingen die de microbe produceert, is een polymeer genaamd PHB, een soort polyester dat het gebruikt als vorm van energieopslag. PHB zelf is geen geweldig polymeer voor kunststoffen - het is erg broos en het is moeilijk om er objecten van te maken - maar Ziesack en Nangle hebben een manier gevonden om het metabolisme van de microbe te tweaken, zodat het in plaats daarvan een vergelijkbaar polyester produceert dat PHA wordt genoemd, die flexibeler is en al wordt onderzocht als een biologisch afbreekbaar plastic alternatief.

"Biologisch afbreekbare PHA's zijn geen nieuw idee, maar tot nu toe is niemand erin geslaagd ze zo goedkoop te maken dat ze konden concurreren met op petroleum gebaseerde polyesters. Onze microben kunnen de prijs voor het produceren van deze polymeren drastisch verlagen, omdat we ze gassen geven in plaats van dure voorloperverbindingen. en we vermijden alle economische en milieukosten van industriële landbouw die zijn ingebakken in de prijs van plantaardige bioplastics, ' zei Nangle.

Hoewel polyesters zoals PHA slechts een van de vele soorten polymeren zijn die tegenwoordig in verschillende soorten plastic worden verwerkt, Nangle en Ziesack denken dat met de juiste techniek, hun systeem zou polyesters kunnen produceren met verschillende eigenschappen die andere soorten polymeren nabootsen. "Het mooie van PHA's is dat ze uitgebreid kunnen worden aangepast, dus als we de reikwijdte van verbindingen die onze microben kunnen produceren kunnen uitbreiden, we kunnen materialen maken met eigenschappen die gelijkwaardig zijn aan andere petrochemicaliën, hoewel hun chemische structuur anders is, ’ zei Ziesack.

Naar de echte wereld, en verder

Aangemoedigd door hun succes in het laboratorium en het potentieel van hun project om het wereldwijde "plasticprobleem" op te lossen, " Ziesack en Nangle dienden een aanvraag voor een Instituutsproject in voor hun project, heet nu Circe, en hebben gewerkt met industriële, investering, en partners voor bedrijfsontwikkeling om hun technologie technisch en commercieel verder te ontwikkelen om het commerciële succes op korte termijn te maximaliseren. Hoewel het een grote wetenschappelijke uitdaging was om hun systeem aan het werk te krijgen in het laboratorium, om het uit het lab en in een productiefaciliteit te krijgen, is een heel andere reeks hindernissen die ze stap voor stap overwinnen.

"We willen een businessplan maken voor een systeem dat eigenlijk volledig duurzaam is van begin tot eind, waar we hebben nagedacht en gepland voor elke fase van de levenscyclus van een product, zodat wanneer een consument klaar is met het gebruik ervan, het zal voor zichzelf zorgen [door biologisch af te breken], ", zei Nangle. "Het kan lastig zijn om investeerders ervan te overtuigen dat een academisch experiment op laboratoriumschaal commercieel levensvatbaar is, en het ontvangen van steun als een instituutsproject is van cruciaal belang geweest om ons in staat te stellen aan te tonen dat dit systeem in de echte wereld kan werken, en kan een echte impact hebben."

De makers van Circe hebben zelfs plannen voor hoe hun microben buiten de 'echte wereld' kunnen worden gebruikt op plaatsen waar noch fossiele brandstoffen noch planten beschikbaar zijn, zoals de ruimte. Op een dag, deze microben zouden naar menselijke nederzettingen op andere planeten kunnen worden getransporteerd, waar ze zouden kunnen worden gebruikt om alles te vervaardigen, van bouwmaterialen tot voedsel, en om de verkenning van andere werelden door onze soort te ondersteunen.

"We weten echt nog niet wat de grenzen van deze technologie zijn, want op grote schaal plastic maken van microben is pas recent ontwikkeld en geïmplementeerd. Maar we zijn vastbesloten om dit project zo ver mogelijk te brengen, en als dat op een dag Mars betekent - dat zal geweldig zijn, ’ zei Ziesack.