«پلاستیک زنده» در ۶ روز خود را نابود میکند
این پژوهش منتشر شده در «سایتکدیلی» (Scitechdaily) بر پایه ترکیب زیستفناوری و مهندسی مواد شکل گرفته است؛ جایی که میکروارگانیسمها (microorganisms) نه بهعنوان عامل تخریب ناخواسته، بلکه بهعنوان بخشی از ساختار ماده به کار گرفته میشوند. در این رویکرد، پلاستیک نه یک ماده بیجان، بلکه سیستمی پویا در نظر گرفته میشود که در شرایط خاص میتواند فعال شده و خود را به اجزای اولیهاش بازگرداند. چنین نگاهی میتواند مسیر تولید و مصرف مواد پلاستیکی را بهطور بنیادین تغییر دهد.
مسئلهای به قدمت عصر پلاستیک
پلاستیکها از زمان ورود به چرخه تولید صنعتی، به دلیل ویژگیهایی همچون دوام بالا، وزن کم و هزینه پایین، به یکی از پرکاربردترین مواد در جهان تبدیل شدهاند. با این حال، همین دوام بالا به معضلی جدی بدل شده است. بسیاری از محصولات پلاستیکی که تنها برای استفاده کوتاهمدت طراحی شدهاند، میتوانند صدها سال در محیط باقی بمانند. این تضاد میان طول عمر کاربرد و طول عمر واقعی ماده، یکی از اصلیترین دلایل بحران آلودگی پلاستیکی محسوب میشود.
در سالهای اخیر، تلاشهای متعددی برای حل این مشکل انجام شده است؛ از تولید پلاستیکهای زیستتخریبپذیر (biodegradable plastics) گرفته تا توسعه روشهای بازیافت پیشرفته. با این حال، بسیاری از این راهکارها با محدودیتهایی همچون تولید ریزپلاستیکها (microplastics) یا نیاز به شرایط خاص برای تجزیه همراه بودهاند.
تولد یک مفهوم جدید؛ پلاستیک زنده
در پژوهش جدید، دانشمندان رویکردی متفاوت را دنبال کردهاند؛ طراحی موادی که بهصورت ذاتی قابلیت تجزیه برنامهریزیشده دارند. این مواد که «پلاستیک زنده» نامیده میشوند، با استفاده از میکروبها (microbes) ساخته شدهاند. این میکروبها قادرند آنزیمهایی (enzymes) تولید کنند که زنجیرههای پلیمری (polymer chains) را تجزیه میکنند.
پلیمرها، که ساختار اصلی پلاستیکها را تشکیل میدهند، از زنجیرههای طولانی مولکولی ساخته شدهاند. تجزیه این زنجیرهها به اجزای کوچکتر، گام نخست در فرایند تخریب پلاستیک محسوب میشود. در این پژوهش، بهجای افزودن آنزیمها از بیرون، خود میکروبهای تولیدکننده آنها در ساختار پلاستیک جای داده شدهاند.
یک پلاستیک زنده با یک جفت آنزیم تجزیهکننده پلاستیک که با هم همکاری میکنند، ماده را ظرف شش روز به طور کامل تجزیه کرد
همکاری زیستی برای تخریب کامل
یکی از نوآوریهای کلیدی این مطالعه، استفاده از دو آنزیم مکمل است. در بسیاری از تلاشهای پیشین، تنها از یک آنزیم برای تجزیه پلاستیک استفاده میشد که کارایی محدودی داشت. اما در این پژوهش، دو آنزیم با عملکردهای متفاوت بهصورت زنجیرهای عمل میکنند.
آنزیم نخست، زنجیرههای بلند پلیمر را در نقاط تصادفی برش میدهد و آنها را به قطعات کوچکتر تبدیل میکند. سپس آنزیم دوم وارد عمل شده و این قطعات را از انتها به مولکولهای سازنده اولیه، موسوم به مونومرها (monomers)، تجزیه میکند. این همکاری دقیق باعث میشود فرایند تخریب نهتنها سریعتر، بلکه کاملتر انجام شود.
مهندسی باکتری برای هدفی مشخص
پژوهشگران برای دستیابی به این هدف، از باکتری «باسیلوس سوبتیلیس» (Bacillus subtilis) استفاده کردند. این باکتری بهگونهای مهندسی شده است که بتواند هر دو آنزیم مورد نیاز را تولید کند. همچنین، این باکتری به شکل اسپور (spore) در ماده قرار داده شده است.
اسپورها ساختارهایی غیرفعال و مقاوم هستند که میتوانند در شرایط نامساعد زنده بمانند. این ویژگی به پژوهشگران اجازه داده است تا میکروبها را درون پلاستیک حفظ کنند، بدون آنکه تا زمان مورد نظر فعال شوند.
فعالسازی در زمان مناسب
یکی از ویژگیهای مهم این پلاستیکها، قابلیت فعالسازی کنترلشده آنهاست. در این مطالعه، فعالسازی از طریق افزودن محیط غذایی (nutrient medium) و افزایش دما انجام شده است. در دمای حدود ۵۰ درجه سانتیگراد، اسپورها فعال شده و شروع به تولید آنزیمها میکنند.
پس از فعالسازی، فرایند تجزیه آغاز شده و طی تنها شش روز، پلاستیک بهطور کامل به اجزای اولیه خود تبدیل میشود. نکته قابلتوجه این است که در این فرایند، ریزپلاستیک تولید نمیشود؛ مسئلهای که در بسیاری از روشهای دیگر بهعنوان یک مشکل جدی مطرح است.
یک پلاستیک زنده با یک جفت آنزیم تجزیهکننده پلاستیک که با هم همکاری میکنند، ماده را ظرف شش روز به طور کامل تجزیه کرد
ویژگیهای فیزیکی مشابه پلاستیکهای معمولی
یکی از چالشهای اصلی در توسعه مواد جدید، حفظ ویژگیهای مکانیکی (mechanical properties) آنهاست. در این پژوهش، پلاستیک زنده تولیدشده از نظر خواص فیزیکی، شباهت زیادی به پلیکاپرولاکتون (polycaprolactone) دارد؛ پلیمر رایجی که در چاپ سهبعدی و برخی کاربردهای پزشکی استفاده میشود.
این شباهت نشان میدهد که میتوان بدون قربانی کردن کارایی، قابلیت تجزیه را به مواد افزود. به عبارت دیگر، این پلاستیکها میتوانند در کاربردهای عملی مورد استفاده قرار گیرند، بدون آنکه عملکرد آنها کاهش یابد.
آزمایش عملی؛ از عملکرد تا ناپدید شدن
برای ارزیابی کاربردپذیری این فناوری، پژوهشگران یک الکترود پوشیدنی (wearable electrode) از پلاستیک زنده تولید کردند. این دستگاه در طول دوره استفاده، عملکرد مناسبی از خود نشان داد. اما پس از پایان عمر مفید، بهطور کامل تجزیه شد. این آزمایش نشان میدهد که این فناوری میتواند در تولید تجهیزات الکترونیکی موقت یا ابزارهای پزشکی کاربرد داشته باشد؛ حوزههایی که مدیریت پسماند در آنها اهمیت ویژهای دارد.
گامی بهسوی آیندهای پایدار
اگرچه این پژوهش بر روی یک نوع خاص از پلیمر متمرکز بوده است، اما اصول آن میتواند به سایر انواع پلاستیک نیز تعمیم داده شود. پژوهشگران در نظر دارند روشهایی برای فعالسازی این سیستم در محیطهای آبی توسعه دهند؛ جایی که بخش قابلتوجهی از آلودگی پلاستیکی تجمع مییابد. چنین پیشرفتی میتواند امکان تجزیه پلاستیکها را در محیطهای طبیعی فراهم کند، بدون آنکه نیاز به مداخله مستقیم انسانی باشد.
آغاز فصلی تازه در علم مواد
پلاستیکهای زنده، نمایانگر تغییردر نگاه به مواد مصنوعی هستند. در این رویکرد، دوام دیگر یک ویژگی ثابت نیست، بلکه پارامتری قابل تنظیم است که میتوان آن را با نیازهای کاربردی هماهنگ کرد. این فناوری نشان میدهد که میتوان میان کارایی صنعتی و مسئولیت زیستمحیطی تعادل برقرار کرد. این آغاز فصلی تازه در علم مواد است؛ فصلی که در آن، حتی پلاستیکها نیز میتوانند زندگی و مرگ خود را مدیریت کنند.
انتهای پیام/
