Стикеры из живых бактерий помогли биопластику быстрее разложиться в океане

Американские материаловеды разработали стикеры из живых бактерий, которые можно приклеить на биопластиковое изделие, чтобы запустить его деградацию. Стикеры печатают на 3D-принтере, их можно хранить в течение трех недель и переклеивать на другое изделие. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Polymer Materials. 

Каждый год в океан попадает от 5 до 13 миллионов тонн пластика. Сюда входят и микропластик, и более крупные фрагменты упаковки и изделий, которым предстоит превратиться в микропластик уже в воде. Если темпы загрязнения сохранятся на том же уровне, то уже к 2050 году масса пластика в океанах может сравниться с массой рыбы.

Один из способов борьбы с загрязнением океана и суши — замена пластика на биопластик. По задумке эти материалы в быту должны быть прочными, как обычный пластик, а в почве и воде без остатка разлагаться под действием бактерий и других организмов. На практике все пока не так просто, особенно с разложением. Например, в 2022 году британские ученые выяснили, что за 15 месяцев только треть биопластика с лейблом «для домашнего компостирования» реально превратилась в компост. В океане скорость разложения обычно еще ниже и к тому же зависит от погодных условий. Поэтому пока что биопластик популярности не снискал — на него приходится менее 1 процента от всего коммерчески используемого пластика.

Американские биологи и материаловеды под руководством Анны Мейер (Anne S. Meyer) из Университета Рочестера предложили ускорить биоразложение с помощью стикеров из живых бактерий. Ученые работали с образцами полигидроксибутирата (PHB) — хорошо изученного и безопасного биопластика. Они сравнили между собой четыре разновидности бактерий и остановились на морской бактерии рода Bacillus (штамм NRRL B-14911, выделена из вод Мексиканского залива). Эта бактерия отлично выживает в соленой воде и может вырабатывать деполимеразу PhaZ, способную расщеплять PHB. Стикеры напечатали на 3D-принтере: биочернила на основе природного полимера альгината и бактериальной культуры выдавливали на подложку из агара с солями кальция. Ионы кальция «сшивали» цепи альгината, образуя прочный гидрогелевый биостикер, который можно прикрепить к изделию из PHB и запустить деградацию. Мейер и ее коллеги особо отметили, что стикеры можно хранить и даже переклеивать с одного предмета на другой, бактерии остаются живыми до трех недель.

Влияние стикеров на процесс биодеградации проверяли несколькими способами — на твердых образцах PHB, в искусственной морской воде и на питательных средах с порошком полимера. Во всех экспериментах изделия со стикерами деградировали быстрее, чем контрольная группа, хотя абсолютная скорость разложения оставалась сравнительно невысокой. В самом длительном эксперименте PHB-диски со стикерами за 28 дней теряли в среднем 6 процентов массы. Вероятно, доля расщепленного PHB была выше, так как одновременно шел процесс размножения бактерий, и в контрольном образце масса за время эксперимента приросла на 10 процентов. Однако самый существенный скачок разрушения происходил в первые две недели, далее скорость снижалась. Кроме того, авторы отметили, что пока им не удалось решить одну из главных проблем — зависимость скорости деградации от температуры. Лучшие результаты получены при 30 градусах Цельсия, в то время как температура самых холодных участков океана не поднимается выше трех градусов Цельсия. 

Тем не менее, уже в нынешнем виде бактериальный стикер может пригодиться океанографам и экологам. Ученые запускают в океан множество датчиков, маячков и других устройств в пластиковых корпусах, а стикер поможет отслужившим свой срок устройствам быстрее разложиться, и он не будет пополнять собой скопления пластикового мусора. А низкая скорость разложения в данном случае будет даже плюсом: сенсор успеет выполнить все свои задачи. В дальнейшем Мейер и ее коллеги планируют адаптировать технологию и для более широкого применения.

В 2022 году мы писали про материал с похожим механизмом программируемой деградации от другой группы американских ученых. Авторы исследования добавили к материалу фермент липазу, а для того, чтобы контролировать процесс, поместили фермент в капсулы. Внутрь такой капсулы может пролезть только хвост полимерной молекулы, поэтому цепь расщепляется звено за звеном, а не рвется на фрагменты произвольной длины.