Specjalne bakterie pomogą nam rozwiązać problem plastiku zaśmiecającego środowisko
Niektórzy wizjonerzy przewidują, że biologia syntetyczna będzie stanowiła klucz do kolejnej rewolucji technologicznej. Ten oksymoron oznacza dyscyplinę naukową, której celem jest projektowanie i tworzenie nowych, sztucznych części i urządzeń biologicznych do różnych celów. Jednym z nich są przyjazne dla środowiska tworzywa sztuczne nowej generacji. Ale mimo że ta wizja jest bardzo optymistyczna, nowa era produkcji bioplastiku nie rozwiąże niestety problemu tworzyw sztucznych na bazie ropy naftowej, które już zaśmiecają środowisko. Tu mogą pomóc naukowcy z konsorcjum projektu P4SB (From Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology), którzy opracowali konkretne rozwiązanie: biokonwersja tworzyw sztucznych na bazie ropy naftowej w całkowicie biodegradowalne tworzywa z wykorzystaniem specjalnie zaprojektowanych pełnokomórkowych katalizatorów bakteryjnych opartych na bakterii Pseudomonas putida. Depolimeryzacja PET „Ludzie wyobrażają sobie, że tworzywa sztuczne zaśmiecające środowisko w końcu zostaną »zjedzone« przez mikroorganizmy, dzięki czemu plastikowy kryzys sam się rozwiąże. Ale na to potrzeba czasu, ponieważ tempo rozkładu plastiku w środowisku jest bardzo, ale to bardzo powolne”, ostrzega dr Lars Blank, koordynator projektu P4SB ze strony uczelni RWTH Aachen. „Z pomocą biologii syntetycznej możemy jednak tworzyć enzymy i mikroorganizmy zdolne do rozkładania tworzyw sztucznych z wykorzystaniem monomerów jako źródła węgla. Naukowcy z centrum badawczego UFZ, partnera projektu, zidentyfikowali takie mikroorganizmy, które mogą żywić się diamidami pochodzącymi z izocyjanianów z przetrawionego poliuretanu (PU, polimeru używanego do produkcji materaców i podeszew butów). Jest to naprawdę fascynujące, ponieważ te związki są bardzo toksyczne”. Naukowcy zbadali kilka monomerów, z których powstaje politereftalan etylenu (PET, polimer stosowany do produkcji butelek do napojów) i poliuretan i doszli do wniosku, że oba polimery można wykorzystać jako pożywkę dla mikroorganizmów i produkować biodegradowalne tworzywo sztuczne: polihydroksyalkaniany (PHA) – bio-poliester. Innymi słowy, naukowcom udało się przeprowadzić depolimeryzację PET i rozerwać niektóre wiązania PU oraz, w konsekwencji, wyprodukować PHA z uzyskanych pojedynczych monomerów. „Na razie zaobserwowaliśmy, że mikroorganizmy preferują PET, ponieważ w ciągu 100 godzin są w stanie przetrawić jego ilości wyrażone w dwucyfrowych liczbach gramów na litr. Możemy wziąć płatki PET, zdegradować je za pomocą enzymów, »nakarmić« mikroorganizmy w celu zapewnienia ich wzrostu i produkcji bioplastiku, a następnie wykorzystać ten nowy materiał do stworzenia produktu końcowego. Tę metodę można też do pewnego stopnia zastosować w przypadku PU, a w przyszłości widzimy szansę na jej użycie do depolimeryzacji wszystkich tworzyw sztucznych z wiązaniami estrowymi”, mówi dr Blank. Jednak wiązania węgiel-węgiel nie zostały jeszcze zbadane. Na drodze ku pełnemu wdrożeniu Dr Blank ocenia, że poziom gotowości technologicznej rozwiązania opracowanego w ramach projektu P4SB wynosi pomiędzy 3 a 5. Wiele aspektów procesu konwersji wymaga poprawy, trzeba też przeprowadzić ocenę efektywności energetycznej technologii. Oczekuje się, że będzie energochłonna w porównaniu do obecnie wykorzystywanych rozwiązań, ale dr Blank zauważa, że nie będzie to stanowiło problemu w przyszłości, gdy cała energia będzie potencjalnie produkowana bez emisji CO2. Projekt P4SB zakończy się w marcu 2019 roku, po czym członkowie konsorcjum planują nadal pracować nad tworzeniem enzymów degradujących do potencjalnych zastosowań w przemyśle tekstylnym. Przygotowują też wniosek w odpowiedzi na nowe zaproszenie do udziału w programie „Horyzont 2020” w zakresie zmieszanych odpadów tworzyw sztucznych. Jednocześnie prowadzone są testy wykorzystania PET jako źródła węgla dla bio-poliestru PHA, a konsorcjum widzi wiele możliwości w tej dziedzinie, w tym zastosowanie do przyjaznej dla środowiska produkcji tworzyw sztucznych, np. folii rolniczych do ściółkowania wykonanych z PHA. Fani science fiction i powieści „Mutant 59: The Plastic Eater”, w której bakterie zjadające plastik powodują spustoszenie na świecie, mogą spać spokojnie: „Cały proces jest przeprowadzany w ściśle kontrolowanych warunkach, nie ma więc szansy, żeby spełniła się wizja z powieści”, śmieje się dr Blank.
Słowa kluczowe
P4SB, bakterie, biodegradowalny, PHA, PU, PET, mikroorganizmy, depolimeryzacja
