Biologiskt nedbrytbar plast har annonserats som en lösning på problemet med plastföroreningar som fördärvar världen, men dagens "komposterbara" plastpåsar, redskap och kopplock går inte sönder under typisk kompostering och förorenar annan återvinningsbar plast, skapar huvudvärk för återvinningsföretag. De flesta komposterbara plaster, gjord huvudsakligen av polyestern känd som polymjölksyra, eller PLA, hamnar på soptippar och håller lika länge som plast för evigt.

University of California, Berkeley, forskare har nu uppfunnit ett sätt att få dessa komposterbara plaster att bryta ner lättare, med bara värme och vatten, inom några veckor, lösa ett problem som har förvirrat plastindustrin och miljöpartister.

"Människor är nu beredda att gå över till biologiskt nedbrytbara polymerer för engångsplaster, men om det visar sig att det skapar fler problem än det är värt, då kan policyn återgå, sa Ting Xu, UC Berkeley professor i materialvetenskap och teknik och i kemi. "Vi säger i grunden att vi är på rätt väg. Vi kan lösa detta fortsatta problem med att engångsplaster inte är biologiskt nedbrytbara."

Xu är seniorförfattare till en artikel som beskriver processen som kommer att visas i numret av tidskriften den 21 april Natur .

Den nya tekniken borde teoretiskt sett kunna tillämpas på andra typer av polyesterplaster, kanske möjliggör skapandet av komposterbara plastbehållare, som för närvarande är gjorda av polyeten, en typ av polyolefin som inte bryts ned. Xu tycker att polyolefinplaster bäst förvandlas till mer värdefulla produkter, inte kompost, och arbetar på sätt att omvandla återvunnen polyolefinplast för återanvändning.

Den nya processen går ut på att bädda in polyesterätande enzymer i plasten när den tillverkas. Dessa enzymer skyddas av en enkel polymerinpackning som förhindrar att enzymet trasslar ut och blir oanvändbart. När den utsätts för värme och vatten, enzymet rycker bort sin polymerhölje och börjar hacka plastpolymeren i dess byggstenar – i fallet med PLA, reducera det till mjölksyra, som kan mata markmikroberna i kompost. Polymeromslaget bryts också ned.

Processen eliminerar mikroplast, en biprodukt av många kemiska nedbrytningsprocesser och en förorening i sig. Upp till 98 % av plasten som tillverkas med Xus teknik bryts ned till små molekyler.

En av studiens medförfattare, tidigare doktorand i UC Berkeley Aaron Hall, har knoppat av ett företag för att vidareutveckla dessa biologiskt nedbrytbara plaster.

Att göra plast självförstörande

Plast är utformad för att inte gå sönder vid normal användning, men det betyder också att de inte går sönder efter att de kasserats. De mest hållbara plasterna har en nästan kristallliknande molekylstruktur, med polymerfibrer inriktade så tätt att vatten inte kan tränga in i dem, än mindre mikrober som kan tugga upp polymererna, som är organiska molekyler.

Xus idé var att bädda in polymerätande enzymer i nanoskala direkt i en plast eller annat material på ett sätt som binder och skyddar dem tills de rätta förhållandena släpper lös dem. Under 2018, hon visade hur detta fungerar i praktiken. Hon och hennes UC Berkeley-team inbäddade i en fibermatta ett enzym som bryter ned giftiga organofosfatkemikalier, som de i insekticider och kemiska krigföringsmedel. När mattan var nedsänkt i kemikalien, det inbäddade enzymet bröt ner organofosfatet.

Hennes viktigaste innovation var ett sätt att skydda enzymet från att falla sönder, vilket proteiner vanligtvis gör utanför sin normala miljö, som en levande cell. Hon designade molekyler som hon kallade slumpmässiga heteropolymerer, eller RHPs, som sveper runt enzymet och håller ihop det försiktigt utan att begränsa dess naturliga flexibilitet. RHP:erna är sammansatta av fyra typer av monomersubenheter, var och en med kemiska egenskaper utformade för att interagera med kemiska grupper på ytan av det specifika enzymet. De bryts ned under ultraviolett ljus och finns i en koncentration på mindre än 1 % av plastens vikt - tillräckligt låg för att inte vara ett problem.

För forskningen som rapporteras i Natur papper, Xu och hennes team använde en liknande teknik, omsluta enzymet i RHP och bädda in miljarder av dessa nanopartiklar genom plasthartspärlor som är utgångspunkten för all plasttillverkning. Hon jämför denna process med att bädda in pigment i plast för att färga dem. Forskarna visade att de RHP-höljda enzymerna inte förändrade plastens karaktär, som kunde smältas och extruderas till fibrer som vanlig polyesterplast vid temperaturer runt 170 grader Celsius, eller 338 grader Fahrenheit.

För att utlösa nedbrytning, det var nödvändigt att bara lägga till vatten och lite värme. Vid rumstemperatur, 80 % av de modifierade PLA-fibrerna bröts ned helt inom cirka en vecka. Nedbrytningen gick snabbare vid högre temperaturer. Under industriella komposteringsförhållanden, den modifierade PLA bröts ned inom sex dagar vid 50 grader Celsius (122 F). En annan polyesterplast, PCL (polykaprolakton), bryts ned på två dagar under industriella komposteringsförhållanden vid 40 grader Celsius (104 F). För PLA, hon bäddade in ett enzym som heter proteinas K som tuggar upp PLA till molekyler av mjölksyra; för PCL, hon använde lipas. Båda är billiga och lättillgängliga enzymer.

"Om du bara har enzymet på ytan av plasten, det skulle bara etsa ner väldigt långsamt, " sa Xu. "Du vill att det ska distribueras nanoskopiskt överallt så att väsentligen, var och en av dem behöver bara äta upp sina polymergrannar, och sedan sönderfaller hela materialet."

Den snabba nedbrytningen fungerar bra med kommunal kompostering, vilket vanligtvis tar 60 till 90 dagar att förvandla mat- och växtavfall till användbar kompost. Industriell kompostering vid höga temperaturer tar kortare tid, men de modifierade polyestrarna bryts också ned snabbare vid dessa temperaturer.

Xu misstänker att högre temperaturer får det omslutna enzymet att röra sig mer, så att den snabbare kan hitta änden på en polymerkedja och tugga upp den och sedan gå vidare till nästa kedja. De RHP-omslagna enzymerna tenderar också att binda nära ändarna av polymerkedjor, hålla enzymerna nära sina mål.

De modifierade polyestrarna bryts inte ned vid lägre temperaturer eller under korta perioder av fukt, Hon sa. En polyesterskjorta gjord med denna process skulle tåla svett och tvätt vid måttliga temperaturer, till exempel. Blötläggning i vatten i tre månader i rumstemperatur fick inte plasten att brytas ned.

Blötläggning i ljummet vatten leder till nedbrytning, som hon och hennes team visade.

"Det visar sig att det inte räcker med kompostering – folk vill kompostera i sitt hem utan att bli smutsiga på händerna, de vill kompostera i vatten, " sa hon. "Så, det är vad vi försökte se. Vi använde varmt kranvatten. Värm bara upp den till rätt temperatur, lägg sedan in den, och vi ser om några dagar att det försvinner."

Xu utvecklar RHP-omslagna enzymer som kan bryta ner andra typer av polyesterplast, men hon modifierar också RHP:erna så att nedbrytningen kan programmeras att stoppa vid en specificerad punkt och inte förstöra materialet helt. Detta kan vara användbart om plasten skulle smältas om och förvandlas till ny plast.

Projektet stöds delvis av försvarsdepartementets arméforskningskontor, en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory.

"Dessa resultat ger en grund för den rationella designen av polymera material som kan försämras under relativt korta tidsskalor, som kan ge betydande fördelar för arméns logistik relaterad till avfallshantering, sa Stephanie McElhinny, Ph.D., programledare hos Arméns forskningskontor. "Bara allmänt, dessa resultat ger insikt i strategier för inkorporering av aktiva biomolekyler i fasta material, vilket kan få konsekvenser för en mängd olika framtida armékapaciteter, inklusive avkänning, dekontaminerings- och självläkande material."

Xu sa att programmerad nedbrytning kan vara nyckeln till återvinning av många föremål. Tänka, Hon sa, använda biologiskt nedbrytbart lim för att montera datorkretsar eller till och med hela telefoner eller elektronik, sedan, när du är klar med dem, lösa upp limmet så att enheterna faller isär och alla bitar kan återanvändas.

"Det är bra för millennials att tänka på detta och starta en konversation som kommer att förändra vårt sätt att kommunicera med jorden, " sa Xu. "Titta på alla bortkastade saker vi slänger:kläder, skor, elektronik som mobiltelefoner och datorer. Vi tar saker från jorden i en snabbare takt än vi kan lämna tillbaka dem. Gå inte tillbaka till jorden för att bryta efter dessa material, men mitt vad du än har, och sedan konvertera det till något annat."