На смену традиционным пластикам, сохраняющимся в окружающей среде столетиями, приходят новые материалы, способные к биологическому разложению.

Пластиковое загрязнение – бич современной цивилизации. Материал, который благодаря своей легкости и прочности завоевал весь мир, в конечном итоге превратился в неразрешимую проблему. Наиболее известный пример того, как пластик может наносить вред природным экосистемам, – Большое мусорное пятно в Тихом океане, представляющее собой «суп» из частиц пластика различного размера. Обитающие там морские птицы, черепахи и рыбы нередко проглатывают частицы пластика, приняв их за пищу, и погибают.

Биоразлагаемые пластики, как и растительные волокна, являются возобновляемыми материалами. Фото: Oliver Cramm / Фотобанк Лори

Мульчирующая пленка из полилактида. Фото: F. Kesselring, FKuR Willich / Wikimedia Commons

Причина долголетия пластикового мусора проста. Молекулы полимеров, произведенных из природного газа или нефти, очень прочны и устойчивы к воздействию внешних факторов – например, к УФ-излучению и окислению кислородом воздуха. Микроорганизмы, которые в экосистемах отвечают за «переработку» органического вещества, также не могут их расщепить, так как в ходе эволюции не сталкивались с таким типом субстрата, а значит, не выработали соответствующих ферментов.

Очевидно, что для сохранения окружающей среды необходимо отказаться от традиционных пластиков в пользу других материалов, похожих на них по свойствам, но обладающих способностью к разложению в естественных условиях. Среди разработанных на сегодняшний день биоразлагаемых пластиков наибольшей популярностью пользуются полиэфиры. Благодаря наличию в составе молекулы эфирной связи она становится «уязвимой» для бактерий и грибов.

Один из самых распространенный биоразлагаемых пластиков – полилактид. Его производят путем сбраживания крахмала и других полисахаридов, получаемых из растительного сырья: кукурузы, картофеля, сахарной свеклы,- до молочной кислоты, которую затем полимеризуют в присутствии катализатора. Полилактид – прозрачный пластик, который по свойствам напоминает традиционные полимеры, такие как полистирол, из которого сегодня производят основную массу одноразовых пищевых контейнеров, и ПЭТ, из которого изготавливают бутылки для воды и напитков. Единственным недостатком полилактида является его низкая температура стеклования, из-за чего стаканы из полилактида теряют форму при контакте с горячими жидкостями. Тем не менее, полилактид применяется для производства пищевой упаковки, одноразовой посуды, столовых приборов, бутылок, пластиковых контейнеров и даже текстильных волокон.

Наиболее экзотическими биоразлагаемыми полимерами по праву можно назвать полигидроксиалканоаты, не только из-за названия, но и потому, что их вырабатывают бактерии. В условиях недостатка необходимых для роста соединений фосфора и азота, но при избытке глюкозы, бактериальная клетка запасает «лишние» углерод и энергию в виде гранул полигидроксиалканоатов диаметром 0,2-0,5 мкм. По свойствам они напоминают полипропилен, один из самых популярных пластиков, поэтому сегодня активно ведутся исследования возможности их наработки в промышленных масштабах.

Начиналось производство этих полимеров с выделения их из бактериальной биомассы - достаточно дорогостоящего способа. Сегодня удается снизить затраты за счет наработки их в растениях. Для этого в хлоропластах Arabidopsis thaliana были экспрессированы ферменты бактерии Ralstonia eutropha, отвечающие за синтез полигидроксиалканоатов. Результатом стало образование в хлоропластах гранул полимеров в значительных количествах – до 14% сухого веса листа.

Из-за достаточно высокой стоимости полигидроксиалканоаты все еще не используются для производства товаров массового потребления, однако они уже успешно применяются в медицине – для создания шовного материала и имплантов, способных к рассасыванию. В организме человека эти полимеры медленно распадаются на безопасные для здоровья 3-гидроксикислоты. 

Интересно, что из ископаемого углеводородного сырья тоже можно произвести биоразлагаемые пластики, например, полибутиленсукцинат и поликапролактон. Их часто добавляют к крахмалу, чтобы придать ему устойчивость к размоканию, и из полученной смеси производят одноразовую посуду, упаковку, пленку для мульчирования.

По материалам ГК «ОптиКом»