Pinapayagan ng mga polimer na kumakain ng polimer ang “biodegradable” na mga plastik na tunay na masusunog

Ang ginagamot na plastik (kaliwa) ay naghiwalay pagkatapos ng tatlong araw lamang sa karaniwang pag-aabono (kanan) at ganap na makalipas ang dalawang linggo. Kredito: Christopher DelRe, UC Berkeley

Ang mga polimer na nagbubuklod na mga enzyme na naka-embed sa plastik ay nagpapahintulot sa naka-program na pagkasira.

Ang mga nabubulok na plastik ay na-advertise bilang isa sa mga solusyon sa problema ng polusyon sa plastik na nananatili sa buong mundo, ngunit ang mga “compostable” na plastic bag, pinggan at takip ng tasa ngayon ay hindi nabubulok at nahawahan ang iba pang mga recycable na plastik habang tipikal na pag-aabono, na sanhi ng pag-recycle ng mga manggagawa . Ang pinaka-compostable na plastik na ginawa pangunahin mula sa polyester na kilala bilang polylactic acid, o PLA, nagtatapos sa mga landfill at tumatagal hangga’t ang mga plastik magpakailanman.

University of California, BerkeleyAng mga mananaliksik ay nag-imbento na ngayon ng isang paraan upang gawing mas madali ang mga compostable na plastik na mabulok sa pamamagitan lamang ng init at tubig sa loob ng ilang linggo, na lutasin ang isang problemang kinakaharap ng industriya ng plastik at mga environmentalist.

“Handa na ngayon ang mga tao na lumipat sa mga nabubulok na polymer para sa mga plastik na kinakailangan, ngunit kung lumilikha ito ng higit pang mga problema kaysa sa gastos, maaaring bumalik ang pulitika,” sabi ni Ting Xu, isang propesor ng agham at engineering. Sa UC Berkeley University at Kimika “Talaga, sinasabi namin na nasa tamang landas kami.” Malulutas natin ang paulit-ulit na problemang ito ng mga disposable plastik na hindi nabubulok. “

Si Xu ay ang nangungunang may-akda ng isang artikulo na naglalarawan sa proseso na lilitaw sa magazine sa linggong ito Kalikasan.

Ang bagong teknolohiya ay dapat na mailalapat sa teoretikal sa iba pang mga uri ng mga plastik na polyester, na kung saan ay pahihintulutan ang paglikha ng compostable plastic packaging, na kasalukuyang gawa sa polyethylene, isang uri ng polyolefin na hindi nabubulok. Iniisip ni Xu na ang mga plastik na polyolefin ay pinakamahusay na ginawang mga produktong mas mataas ang halaga, hindi compost, at gumagawa ng mga paraan upang mabago ang mga recycled na polyolefin na plastik para magamit muli.

Ang nabagong PCL na plastik ay ganap na nabubulok sa maligamgam na tubig

Ang plastik na hibla na na-extrud mula sa PCL (polycaprolactone) (kaliwa) na may naka-embed na RHP na pinahiran na lipase enzyme nanoclusters ay lubos na napasama sa maliliit na mga molekula sa loob ng 36 na oras sa mainit (104 ° F) na tubig. Kredito: Christopher DelRe, UC Berkeley

Ang bagong proseso ay nagsasangkot ng pagsasama ng mga polyester na nagpapakain ng mga polyono sa plastik habang ginawa ito. Ang mga enzyme na ito ay protektado ng isang simpleng patong ng polimer na pumipigil sa enzyme mula sa paglutas at pagpapasama. Kapag ang enzyme ay nahantad sa init at tubig, ito ay umaatras mula sa shell ng polimer at nagsimulang ibomba ang plastik na polimer sa mga bloke ng gusali nito – sa kaso ng PLA, binabawasan ito sa lactic acid, na maaaring magpakain ng mga microbes ng lupa sa pag-aabono. Ang polimer patong din degrades.

Tinatanggal ng prosesong ito ang microplastics, isang by-produkto ng maraming proseso ng pagkasira ng kemikal, at ang kontaminant mismo. Hanggang sa 98% ng plastik na ginawa ng diskarteng Xu mabulok sa maliit na mga molekula.

Ang isa sa mga kapwa may-akda ng pag-aaral, dating mag-aaral ng UC Berkeley PhD na si Aaron Hall, ay nag-ikot sa kumpanya upang higit na mapaunlad ang mga nabubulok na plastik na ito.

Produksyon ng plastik na pagkawasak sa sarili

Ang mga plastik ay idinisenyo upang hindi sila maghiwalay sa normal na paggamit, ngunit nangangahulugan din ito na hindi sila mabulok pagkatapos na itapon. Ang pinaka-matibay na mga plastik ay may isang halos mala-mala-kristal na istraktura ng molekula na may mga hibla ng polimer na mahigpit na nakahanay na ang tubig ay hindi maaaring tumagos sa kanila, pabayaan mag-isa ang mga microbes na maaaring ngumunguya ng mga polymer, na mga organikong molekula.

Pagpasok ng mga polymeric dietary enzyme

Ang mga enzim tulad ng lipase (berdeng kuwintas) ay maaaring magpabagsak ng mga plastik na polymer mula sa itaas (kaliwang itaas), ngunit sapalarang pinuputol nila ang mga tanikala ng polimer at iniiwan ang mga microplastics (kanang itaas). Ang pangkat ng UC Berkeley ay nagsingit ng mga enzyme (ibabang kaliwa), pinoprotektahan ang mga nanocluster (mga kadena ng mga may kulay na sphere) sa plastik. Ang naka-embed na mga enzyme ay immobilized malapit sa dulo ng mga kadena ng polimer at pinapahamak ang mga polymer molekula mula sa dulo sa ilalim ng tamang mga kondisyon ng init at halumigmig. Pinapanatili ng diskarteng ito ang integridad ng plastik habang ginagamit, ngunit kapag pinasimulan ng gumagamit ang depolymerization, naabot ng plastik ang mga recyclable maliit na molekulang mga by-product. Kredito: Christopher DelRe graphics

Ang ideya ng Xu ay upang isama ang mga polyester na kumakain ng nanoscale nang direkta sa plastik o iba pang materyal sa isang paraan na naghihiwalay at pinoprotektahan ang mga ito hanggang sa matunaw ng mga kondisyong ito. Noong 2018, ipinakita niya kung paano ito gumagana sa pagsasanay. Siya at ang kanyang koponan ng UC Berkeley ay naglagay ng isang enzyme sa fibrous mat na nagpapasama sa mga nakakalason na kemikal na organophosphate tulad ng mga insecticide at mga ahente ng warfare ng kemikal. Kapag ang banig ay nahuhulog sa kemikal, ang ipinasok na enzyme ay nabulok ang organophospate.

Ang kanyang pangunahing pagbabago ay isang paraan upang protektahan ang enzyme mula sa pagkasira, na kung saan ang mga protina ay karaniwang ginagawa sa labas ng kanilang normal na kapaligiran, tulad ng isang buhay na cell. Dinisenyo niya ang mga Molekyul na tinawag niyang mga random heteropolymers o RHP na pinahiran ang enzyme at dahan-dahang hinahawakan ito nang hindi nakompromiso ang natural na kakayahang umangkop. Ang RHPs ay binubuo ng apat na uri ng monomeric subunits, na ang bawat isa ay may mga katangian ng kemikal na idinisenyo upang makipag-ugnay sa mga pangkat ng kemikal sa ibabaw ng isang tukoy na enzyme. Nabulok ang mga ito sa ilalim ng ilaw ng ultraviolet at naroroon sa isang konsentrasyon na mas mababa sa 1% ng bigat ng plastik – sapat na mababa upang hindi maging isang problema.

Para sa pananaliksik na tinukoy sa Kalikasan papel, Xu at ang kanyang koponan ay gumamit ng isang katulad na pamamaraan, na pumapalibot sa enzyme sa RHP at pag-embed ng bilyun-bilyong mga nanoparticle na ito sa mga plastik na butil ng dagta, na kung saan ay ang panimulang punto para sa lahat ng produksyon ng plastik. Kinukumpara ang prosesong ito sa pagsasama ng mga pigment sa mga plastik upang kulayan ang mga ito. Ipinakita ng mga mananaliksik na ang mga enzim na nababalot ng RHP ay hindi nagbago ng katangian ng plastik, na maaaring matunaw at maipasok sa mga hibla tulad ng normal na polyester plastic sa temperatura sa paligid ng 170 degree. Celsiuso 338 degree Fahrenheit.

PLA plastic compost

PLA (polylactic acid) plastic film kaagad pagkatapos ilagay sa compost (kaliwa) at pagkatapos ng isang linggo sa compost (kanan). Salamat sa PLA plastic, maaari itong maging biodegrade sa simpleng mga molekula, na nangangako bilang isang kahalili sa hinaharap sa hindi nabubulok na plastik. Kredito: UC Berkeley larawan ni Adam Lau / Berkeley Engineering

Kinakailangan lamang upang magdagdag ng tubig at kaunting init upang masimulan ang pagkasira. Sa temperatura ng kuwarto, 80% ng binagong mga hibla ng PLA ay ganap na napinsala sa loob ng isang linggo. Ang pagkasira ay mas mabilis sa mas mataas na temperatura. Sa ilalim ng mga kondisyong pang-industriya na pag-aabono, ang binagong PLA ay napasama sa loob ng anim na araw sa 50 degree Celsius (122 F). Ang isa pang plastik na polyester, PCL (polycaprolactone), ay napinsala sa loob ng dalawang araw sa ilalim ng mga kondisyong pang-industriya na pag-compost sa 40 degree Celsius (104 F). Para sa PLA, nagsingit siya ng isang enzyme na tinatawag na proteinase K, na ngumunguya sa PLA hanggang sa mga lactic acid Molekyul; ginamit na lipase para sa PCL. Parehong mura at madaling magagamit na mga enzyme.

“Kung mayroon ka lamang ng enzyme sa ibabaw ng plastic, ito ay makaka-etch nang napakabagal,” sabi ni Xu. “Nais mong ipamahagi ito ng nanoscopically saanman, kaya karaniwang kinakain lamang ng bawat isa ang kanilang mga kapitbahay na polimer at pagkatapos ay bumagsak ang buong materyal.”

Pag-aabono

Ang mabilis na pagkasira ay gumagana nang maayos sa pag-aabono ng munisipyo, na karaniwang tumatagal ng 60 hanggang 90 araw para magamit ang basura ng pagkain at gulay upang magamit ang pag-aabono. Ang pag-compost ng pang-industriya sa mataas na temperatura ay tumatagal ng mas kaunting oras, ngunit ang binagong polyesters ay mabilis ding mabulok sa mga temperatura na ito.

Ivan Jayapurna

Ang mag-aaral na postgraduate na si Ivan Jayapurna na may isang sample ng PCL (polycaprolactone) na pelikula, isang bago, nabubulok na polyester na plastik. Ang PCL na may naka-embed na mga enzyme ay may mga katangiang mekanikal na katulad sa mga may mababang density na polyethylene, ginagawa itong isang maaasahang kahalili sa hinaharap sa mga hindi nabubulok na plastik. Kredito: UC Berkeley larawan ni Adam Lau / Berkeley Engineering

Pinaghihinalaan ni Xu na ang mas mataas na temperatura ay nagdudulot ng higit na paggalaw ng nakapalibot na enzyme, na nagpapahintulot sa kanya na makita ang dulo ng kadena ng polimer na mas mabilis, ngumunguya ito, at pagkatapos ay magpatuloy sa susunod na kadena. Ang mga cohemine na pinahiran ng RHP ay may posibilidad ding magbigkis malapit sa mga dulo ng mga kadena ng polimer at panatilihin ang mga enzyme na malapit sa kanilang mga target.

Ang mga ginagamot na polyester ay hindi nabubulok sa mas mababang temperatura o sa maikling panahon ng kahalumigmigan, sinabi niya. Ang mga polyester shirt na ginawa sa ganitong paraan ay makatiis, halimbawa, pawis at paghuhugas sa katamtamang temperatura. Ang paglulubog sa tubig sa loob ng tatlong buwan sa temperatura ng kuwarto ay hindi naging sanhi ng pagkasira ng plastik.

Ang pagbabad sa maligamgam na tubig ay humahantong sa pagkasira, tulad ng ipinakita niya at ng kanyang koponan.

“Hindi pala sapat ang pag-aabono – nais ng mga tao na mag-abono sa bahay nang hindi nadumihan ang kanilang mga kamay, nais nilang mag-abono sa tubig,” aniya. “Kaya’t sinubukan naming makita ito.” Gumamit kami ng mainit na tubig na gripo. Pag-init lamang ito sa tamang temperatura, pagkatapos ay ilagay ito at makikita natin itong mawala sa loob ng ilang araw. “

Ang Xu ay bumuo ng mga RHP na pinahiran na mga enzyme na maaaring magpabagsak ng iba pang mga uri ng plastik na polyester, ngunit binabago rin ang RHP upang ang programang pagkasira ay ma-program upang huminto sa isang tinukoy na punto at hindi ganap na masisira ang materyal. Maaari itong maging kapaki-pakinabang kung ang plastik ay dapat na muling gawing muli at binago sa isang bagong plastik.

Ang proyekto ay bahagyang suportado ng Opisina ng Pananaliksik sa Militar ng Kagawaran ng Depensa, na bahagi ng Army Research Laboratory ng Combat Capilities Development Laboratory ng US Army.

“Ang mga resulta ay nagbibigay ng batayan para sa makatuwiran na disenyo ng mga materyal na polymeric na maaaring mabulok sa medyo maikling agwat ng oras, na maaaring magbigay ng makabuluhang benepisyo sa logistik ng pamamahala ng basura ng militar,” sabi ni Stephanie McElhinny, Ph.D., program manager ng Army Research Office. “Sa pangkalahatan, ang mga resulta ay nagbibigay ng pananaw sa mga diskarte para sa pagsasama ng mga aktibong biomolecule sa mga solidong estado na materyales, na maaaring magkaroon ng mga implikasyon para sa isang bilang ng mga kakayahan sa militar sa hinaharap, kabilang ang sensing, decontamination, at mga kagalingang nagpapagaling sa sarili.”

Ang enzyme ay naka-embed sa PLA plastic

Ang PLA (polylactic acid) na plastic film ay naka-encapsulate ng isang enzyme upang mabilis na biodegrade sa maginoo na pag-aabono. Kredito: UC Berkeley larawan ni Adam Lau / Berkeley Engineering

Sinabi ni Xu na ang naka-program na pagkasira ay maaaring maging susi sa pag-recycle ng maraming mga item. Isipin, sinabi niya, na gumagamit ng biodegradable na pandikit upang makabuo ng mga circuit ng computer o kahit na buong telepono o electronics, kung gayon, kapag tapos ka na sa kanila, matunaw ang pandikit upang ang aparato ay disintegrate at ang lahat ng mga bahagi ay maaaring magamit muli.

“Mabuti para sa millennia na isipin ito at magsimula ng isang pag-uusap na magbabago sa paraan ng pagkonekta namin sa Earth,” sinabi ni Xu. “Tingnan ang lahat ng mga walang kwentang bagay na itinatapon natin: mga damit, sapatos, electronics tulad ng mga cell phone at computer.” Kumuha kami ng mga bagay mula sa Earth nang mas mabilis kaysa sa maibalik natin ang mga ito. Huwag bumalik sa Earth upang mina ang mga materyal na ito, ngunit minahan kung ano ang mayroon ka, at pagkatapos ay i-convert ito sa iba pa. “

Sanggunian: “Halos kumpleto ang depolymerization ng polyesters na may nanodispersed enzymes”, ni Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li, Corinne D. Scown, Robert O. Ritchie, Thomas P. Russell at Ting Xu, Abril 21, 2021, Kalikasan.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03408-3

Kasama sa mga kapwa may-akda ng papel sina Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li at Robert Ritchie ng UC Berkeley; Corinne Scown ng Berkeley Lab; at Thomas Russell ng Unibersidad ng Massachusetts sa Amherst. Ang gawain ay pinopondohan ng pangunahin ng Kagawaran ng Enerhiya ng Estados Unidos (DE-AC02-05-CH11231) sa tulong ng Army Research Office at ng programa ng UC Berkeley Bakar Fellowship.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

82% ng Mga Tao na Na-ospital Sa COVID-19 Bumuo ng Mga Neurological Problems

Isinasaalang-alang ang tomography ng utak. Ang mga pasyente na may mga karamdaman na nagpapahiwatig ng neurological ay kasangkot COVID-19 anim na beses na mas malamang...

“Gobsmacked” – Ang Melanie Wood ng Harvard ay Naging Unang Babae na Nanalo ng $ 1M Waterman Award sa Math

Si Melanie Wood ang unang babaeng nanalo ng isang Waterman Award sa matematika. Kredito: Stephanie Mitchell / Harvard Staff Photographer Kinikilala para sa mga...

Bagong Pagong na Natagpuan sa Huling Cretaceous ng Madagascar

Ang pagbabagong-tatag ng buhay ng Sahonachelys mailakavava, umaatake sa Madagascan na palaka tadpoles na si Belzebufo ay nagprotesta gamit ang isang espesyal na diyeta...

Natuklasan ng mga siyentista na ang loob ng Saturn – ang makapal na layer ng helium – ay nakakaapekto sa magnetic field ng mga...

Ang magnetikong patlang ni Saturn na nakikita sa itaas. Credit-Ancate Barrick / Jones Hopkins University Ginagaya ng mga mananaliksik ang mga kondisyong kinakailangan para...

Lumilikha ang mga mananaliksik ng cybersecurity ng mas mahusay na kanaryo – gamit ang AI upang lumikha ng pekeng mga dokumento

Ang bagong artipisyal na sistema ng katalinuhan ay lumilikha ng mga pekeng dokumento upang linlangin ang mga kalaban. Sa panahon ng World War II, ang...

Newsletter

Subscribe to stay updated.