Американські хіміки знайшли новий підхід до деградації пластикових полімерних матеріалів. Вони додали в пластик невеликі капсули з ферментом, що каталізує деполімерізацію. Якщо нагріти такий матеріал, фермент починає розщеплювати полімер зсередини, а капсули допомагають контролювати цей процес. Всередину капсули може пролізти тільки хвіст полімерної молекули, тому полімерний ланцюг не рветься в довільних місцях, а розщеплюється поступово. Полікапролактон з інкапсульованим ферментом можна повністю розкласти за 24 години в буферному розчині або за дві доби в стандартному компості. Результати дослідження опубліковані в журналі
Вчені вже давно шукають способи переробки пластикових полімерних матеріалів. Один з варіантів - використання ферментів, білкових сполук, які прискорюють хімічні реакції в живих системах. Оскільки реакції розщеплення полімерів відбуваються і в живих організмах, можна виділити фермент, що прискорює таку реакцію, і спробувати перенести його дію на розщеплення схожого штучного полімеру. Втім, на практиці це не так просто: штучні полімери більш стабільні, і, щоб розщепити їх, потрібні більш жорсткі умови, в яких багато ферментів самі починають руйнуватися. Зазвичай, щоб розщепити пластик, його дроблять на дрібні шматочки, нагрівають і змішують з ферментом, але можна вчинити інакше: додавати невеликі кількості ферментів до полімеру з самого початку, ще на стадії виготовлення матеріалу. Такий процес ще називають програмованою деградацією: при кімнатній температурі фермент не взаємодіє з пластиком, але, якщо матеріал нагріти, фермент активізується, запускаючи процес деполімеризації. У цього способу безліч переваг: пластик не потрібно дробити на частини, можна проводити процес при більш низькій температурі і використовувати менше ферменту. Правда, і недоліків поки вистачає: міцність матеріалу від таких добавок погіршується, а сам процес деградації складніше контролювати, в результаті виходить складна суміш продуктів, а іноді - навіть частинки мікропластику.
Новий оригінальний підхід до деградації пластику знайшли американські матеріалознавці під керівництвом Тіна Сюя (Ting Xu) з Університету Берклі в Каліфорнії. Вчені припустили, що ключову роль у процесі деполімеризації відіграє місце атаки ферменту. Якщо фермент атакує полімерний ланцюг у довільних місцях, то ланцюг щоразу рветься на два ланцюги меншої довжини, і в результаті деполімеризації виходить суміш обривків ланцюга різної довжини. Якщо ж фермент селективно зв'язується тільки з хвостом полімерної молекули, то кожен раз, від полімеру буде відриватися по одній ланці, і в результаті вийде більш гомогенна суміш коротких фрагментів полімеру, які потім можна використовувати для отримання нового пластику.
Щоб деполімерізація йшла другим шляхом, автори вирішили помістити фермент у невеликі капсули з отворами. Пролізти в такий отвір і вступити в реакцію з ферментом всередині може тільки хвіст полімеру, тому розриви ланцюга в довільних місцях стануть неможливі.
Спочатку Сюй і його колеги спробували деполімеризувати полікапролактон. До полімера додавали 0,02 масових відсотків ферменту ліпази в капсулах розміром від 50 до 500 нанометрів. Оболонки капсули виготовили з іншого міцнішого полімеру - так званого рандомного гетерополімера, що складається з чотирьох типів ланок, зшитих у випадковому порядку.
Як показали методи просвічувальної і флюоресцентної мікроскопії і калориметрії, капсули з ферментом розподіляються в матеріалі рівномірно і не впливають на кристалічність матеріалу. Міцність полікапролактону теж не постраждала: модуль упругості зразка з інкапсульованою липазою був всього на десять відсотків нижче, ніж у контрольного зразка без капсул.
Щоб запустити процес деградації, полімер поміщали в слабощілковий буферний розчин і нагрівали до температури сорок градусів Цельсія. Зразок практично відразу втрачає цілісність, і від нього починають відокремлюватися частинки різного розміру, в тому числі і частинки мікропластику. За допомогою флюоресцентної мікросокпії автори простежили, що капсули з ферментом збереглися всередині частинок і реакція деполімеризації продовжилася. У результаті за 24 години 98 відсотків вихідного полікапролактону розклалося до невеликих окремих молекул із середньою масою менш 500 дальтон, яку в подальшому можна розділити і використовувати. У контрольному зразку з липазою без капсул полікапролактон перетворився на суміш довгих фрагментів, розділити яку практично неможливо. Крім того, полікапролактон з інкапсульованою липазою можна розкласти і в стандартному компості, правда на це буде потрібно трохи більше часу - близько двох діб.
Сюй і його колеги застосували свій метод і до інших полімерних матеріалів. У пошуках ідеальних умов вони тестували різні ферменти, варіювали їх кількість, температуру розчину і склад оболонки капсул. З вуглеводневими полімерами - поліетиленом і полістиролом - програмована деполімерізація поки не працює. А ось півілактид вдалося повністю розкласти за допомогою ферменту протеінази - за дві доби в буферному розчині або за шість діб у компості.
На початку місяця ми писали про повністю біорозкладений водостійкий пластик з деревних тирси. Американські матеріалознавці показали, що якщо розчинити лігнін, що міститься в деревині, за допомогою глибокого евтектичного розчинника, а потім знову осадити його на волокна целюлози, то отриманий матеріал буде мати велику міцність і пластичність, наприклад його можна розкатати в лист товщиною один міліметр. А ось для мікроорганізмів такий пластик майже не буде відрізнятися від звичайної деревини - автори закопали зразки нового пластику в ґрунт і за три місяці вони повністю розклалися.