Ученые объединяют химию и биологию для переработки смешанного пластика

Nov 30, 2023

Тандемный химический и биологический процесс, основанный на многолетних исследованиях химического окисления, может быть использован для разрушения различных типов пластика. | PowerUp/Shutterstock

Исследователи разработали способ превратить смешанные полимерные пластики в единый химический продукт, который потенциально может устранить необходимость сортировки пластика по типу перед переработкой.

«Сочетание химических и биологических процессов — это новая многообещающая стратегия повышения ценности смешанных пластиковых отходов», — говорится в пресс-релизе NREL.

Проект реализуется Консорциумом «Биооптимизированные технологии по предотвращению попадания термопластов на свалки и в окружающую среду» (BOTTLE) и Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США.

Грегг Бекхэм, старший научный сотрудник NREL и глава BOTTLE, заявил в пресс-релизе, что исследование является «потенциальной отправной точкой в ​​переработке пластмасс, которые сегодня вообще не могут быть переработаны».

Эта процедура представляет собой тандемный химический и биологический процесс, основанный на многолетних исследованиях химического окисления, которые можно использовать для разрушения различных типов пластика. В ходе исследования его проверили на ПЭТ, ПС и ПЭВП, но исследователи заявили, что он также может работать с ПП и ПВХ. Команда планирует провести дальнейшее исследование этих материалов.

Исследование было опубликовано в журнале Science под руководством Бекхэма. Соавторами выступили исследователи NREL и члены команды BOTTLE из Массачусетского технологического института, Национальной лаборатории Ок-Риджа и Университета Висконсин-Мэдисон.

Кевин Салливан, постдокторант из NREL и соавтор статьи, сказал, что в этом процессе используются кислород и катализаторы для разрушения крупных молекул полимера.

«Процесс химического катализа, который мы использовали, — это всего лишь способ ускорить этот процесс, который происходит естественным образом, поэтому вместо того, чтобы разлагаться в течение нескольких сотен лет, вы можете расщеплять эти пластмассы за часы или минуты», — сказал Салливан.

Окисление превращает ПС, ПЭТ и ПЭВП в «сложную смесь химических соединений, включая бензойную кислоту, терефталевую кислоту и дикарбоновые кислоты, для получения чистых продуктов потребуется сложное и дорогостоящее разделение», говорится в пресс-релизе, но команда BOTTLE использовала биология, чтобы сократить путь.

Исследователи создали почвенный микроб под названием Pseudomonas putida, который «направляет» смесь промежуточных продуктов либо в полигидроксиалканоаты (ПГА), форму биоразлагаемых биопластиков, либо в бета-кетоадипат, который можно использовать для изготовления нейлоновых материалов.

Эллисон Вернер, еще один соавтор исследования, сказала, что биологическая воронка заключается в конструировании метаболической сети микробов, «чтобы направить углерод из большого количества субстратов в один продукт».

«Для этого мы берем ДНК природы – обычно других микробов – и вставляем ее в геном Pseudomonas putida», – сказал Вернер. «ДНК транскрибируется в РНК, которая, в свою очередь, транслируется в белки, которые выполняют разнообразные биохимические преобразования, формируя новую метаболическую сеть и в конечном итоге позволяя нам улавливать больше углерода и настраивать, куда он направляется».

Ранее ученые использовали тот же микроб для обогащения химических смесей из стенок растительных клеток. Бекхэм подчеркнул, что сконструированные бактерии не разлагают пластик напрямую.

«Если вы возьмете бактерии, которые мы используем сейчас, и объедините их с полиэтиленом, бактерии погибнут, а пластик останется там», — сказал Бекхэм, поэтому процесс окисления необходим.

Команда BOTTLE планирует провести дальнейшие исследования, чтобы понять и количественно оценить все добавки и красители в пластмассах, а предстоящая миссия NREL на Международную космическую станцию ​​проверит, улучшает ли микрогравитация этот процесс.

Исследование финансировалось Управлением передовых производств и Управлением биоэнергетических технологий Министерства энергетики США.