Un nuovo tipo di bioplastica potrebbe contribuire a ridurre l’impatto ambientale dell’industria della plastica. I ricercatori guidati dall’Università della California a San Diego hanno sviluppato una forma biodegradabile di poliuretano termoplastico (TPU), una plastica commerciale morbida ma resistente utilizzata in calzature, tappetini, cuscini e memory foam. È pieno di spore batteriche che, quando esposte alle sostanze nutritive presenti nel compost, germinano e distruggono il materiale alla fine del suo ciclo di vita.
Il lavoro è dettagliato in un articolo pubblicato il 30 aprile su Nature Communications .
Il TPU biodegradabile è stato realizzato con spore batteriche di un ceppo di Bacillus subtilis che ha la capacità di scomporre i materiali polimerici plastici.
"È una proprietà intrinseca di questi batteri", ha detto il co-autore senior dello studio Jon Pokorski, professore di nanoingegneria presso la Jacobs School of Engineering dell'UC San Diego e co-responsabile del Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) dell'università. "Abbiamo preso alcune varietà e valutato la loro capacità di utilizzare i TPU come unica fonte di carbonio, quindi abbiamo scelto quella che cresceva meglio."
I ricercatori hanno utilizzato spore batteriche, una forma dormiente di batteri, a causa della loro resistenza alle difficili condizioni ambientali. A differenza delle spore fungine, che svolgono un ruolo riproduttivo, le spore batteriche hanno uno scudo proteico protettivo che consente ai batteri di sopravvivere durante lo stato vegetativo.
Per rendere la plastica biodegradabile, i ricercatori hanno inserito spore di Bacillus subtilis e pellet di TPU in un estrusore di plastica. Gli ingredienti sono stati miscelati e fusi a 135 gradi Celsius, quindi estrusi sotto forma di sottili strisce di plastica.
Per valutare la biodegradabilità del materiale, le strisce sono state collocate in ambienti di compost sia microbicamente attivi che sterili. Le configurazioni del compost sono state mantenute a 37 gradi Celsius con un'umidità relativa compresa tra il 44 e il 55%. L'acqua e altri nutrienti presenti nel compost hanno innescato la germinazione delle spore all'interno delle strisce di plastica, che ha raggiunto il 90% di degradazione entro cinque mesi.
"Ciò che è notevole è che il nostro materiale si decompone anche senza la presenza di ulteriori microbi", ha affermato Pokorski. "È probabile che la maggior parte di questa plastica non finirà in impianti di compostaggio ricchi di microbi. Quindi questa capacità di autodegradarsi in un ambiente privo di microbi rende la nostra tecnologia più versatile."
Sebbene i ricercatori debbano ancora studiare ciò che rimane dopo che il materiale si è degradato, notano che eventuali spore batteriche persistenti sono probabilmente innocue. Bacillus subtilis è un ceppo utilizzato nei probiotici ed è generalmente considerato sicuro per l'uomo e gli animali e può anche essere benefico per la salute delle piante.
In questo studio, le spore batteriche sono state progettate in modo evolutivo per sopravvivere alle alte temperature necessarie per la produzione di TPU. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata evoluzione adattiva del laboratorio per creare un ceppo resistente alle temperature di estrusione. Il processo prevede la crescita delle spore, sottoponendole a temperature estreme per periodi di tempo crescenti e consentendo loro di mutare naturalmente. I ceppi che sopravvivono a questo processo vengono quindi isolati e sottoposti nuovamente al ciclo.
"Abbiamo continuamente evoluto le cellule più e più volte fino a quando non siamo arrivati a un ceppo ottimizzato per tollerare il calore", ha detto il co-autore senior dello studio Adam Feist, ricercatore di bioingegneria presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego. "È sorprendente quanto bene questo processo di evoluzione e selezione batterica abbia funzionato per questo scopo."
Le spore servono anche come riempitivo rinforzante, in modo simile a come l'armatura rinforza il cemento. Il risultato è una variante in TPU con proprietà meccaniche migliorate, che richiede più forza per rompersi e mostra una maggiore elasticità.
"Entrambe queste proprietà vengono notevolmente migliorate semplicemente aggiungendo le spore", ha detto Pokorski. "Questo è fantastico perché l'aggiunta di spore spinge le proprietà meccaniche oltre i limiti noti laddove in precedenza esisteva un compromesso tra resistenza alla trazione ed elasticità."
Mentre lo studio attuale si concentrava sulla produzione di quantità più piccole su scala di laboratorio per comprenderne la fattibilità, i ricercatori stanno lavorando per ottimizzare l’approccio per l’uso su scala industriale. Gli sforzi in corso includono l'aumento della produzione fino a quantità di chilogrammi, l'evoluzione dei batteri per decomporre i materiali plastici più rapidamente e l'esplorazione di altri tipi di plastica oltre al TPU.
"Esistono molti tipi diversi di plastica commerciale che finiscono nell'ambiente:il TPU è solo uno di questi", ha affermato Feist. "Uno dei nostri prossimi passi è ampliare la portata dei materiali biodegradabili che possiamo produrre con questa tecnologia."
Ulteriori informazioni: Jonathan Pokorski, Poliuretani termoplastici biocompositi contenenti spore batteriche evolute come riempitivi viventi per facilitare la disintegrazione dei polimeri, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47132-8. www.nature.com/articles/s41467-024-47132-8
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università della California - San Diego
