Creata una plastica che include batteri in grado di digerirla

Un team internazionale di ricercatori ha deciso di sfruttare i batteri che mangiano la plastica all’interno di essa. Per impedire loro di mangiarla mentre è in uso, i batteri sono stati mescolati sotto forma di spore inattive che dovrebbero iniziare a digerirla solo una volta rilasciata nell’ambiente. Per far sì che tutto questo funzionasse, i ricercatori hanno dovuto sviluppare un ceppo batterico che potesse tollerare il processo di produzione.

Batteri in grado di digerire la plastica

Uno dei motivi per cui i rifiuti di plastica persistono nell’ambiente è perché la struttura chimica della maggior parte dei polimeri è stabile e sufficientemente diversa dalle fonti alimentari esistenti tanto che i batteri non hanno enzimi in grado di digerirla. L’evoluzione, tuttavia, ha iniziato a cambiare questa situazione e sono stati identificati numerosi ceppi in grado di digerire alcune plastiche comuni.

Come già accennato, la plastica è formata da polimeri, lunghe catene di molecole identiche legate tra loro da legami chimici. Anche se possono essere scomposti chimicamente, il processo è spesso ad alta intensità energetica e non lascia dietro di sé sostanze chimiche utili.

Un’alternativa è far sì che i batteri lo facciano per noi. Se hanno un enzima che rompe i legami chimici di un polimero, spesso possono usare le piccole molecole risultanti come fonte di energia.

Il problema è che i legami chimici nei polimeri sono spesso distinti dalle sostanze chimiche che gli esseri viventi hanno incontrato in passato, quindi gli enzimi che scompongono i polimeri sono stati rari. Ma, con decine di anni di esposizione alla plastica, la situazione sta iniziando a cambiare e recentemente sono stati scoperti numerosi ceppi batterici che mangiano plastica.

Questo processo di decomposizione richiede però ancora che i batteri e la plastica si trovino nell’ambiente. Così un team di ricercatori ha deciso di inserire i batteri nella plastica stessa.

Lo studio

La plastica con cui hanno lavorato i ricercatori si chiama poliuretano termoplastico (TPU), qualcosa che è possibile trovare ovunque, dalle camere d’aria delle biciclette al rivestimento dei cavi Ethernet. Convenientemente, sono già stati identificati batteri in grado di scomporre il TPU, tra cui una specie chiamata Bacillus subtilis, un batterio innocuo del suolo che ha colonizzato anche il nostro tratto digestivo. B. subtilis ha anche una caratteristica che lo rende molto utile per questo lavoro: forma spore.

Questa caratteristica risolve uno dei maggiori problemi legati all’incorporazione di batteri nei materiali: i materiali spesso non forniscono un ambiente in cui gli esseri viventi possano prosperare. Le spore, d’altro canto, vengono utilizzate dai batteri per attendere che condizioni altrimenti intollerabili, per poi tornare alla crescita normale quando le cose migliorano.

L’idea alla base del nuovo lavoro è che le spore di B. subtilis rimangono in animazione sospesa mentre il TPU è in uso, per poi riattivarle e digerirle una volta smaltite.

In termini pratici, questo funziona perché le spore si riattivano solo quando le condizioni nutrizionali sono sufficientemente promettenti. È improbabile che un cavo Ethernet o l’interno di uno pneumatico da bicicletta presentino condizioni tali da risvegliare i batteri. Ma se lo stesso TPU finisce in una discarica o addirittura sul ciglio della strada, i nutrienti nel terreno potrebbero far sì che le spore si mettano al lavoro per digerirlo.

Il problema iniziale dei ricercatori era che la produzione di prodotti in TPU solitamente comporta l’estrusione della plastica ad alte temperature, normalmente utilizzate per uccidere i batteri. In questo caso, hanno scoperto che una temperatura tipica di produzione (130° C) uccideva oltre il 90% delle spore di B. subtilis in un solo minuto.

Quindi, hanno iniziato esponendo le spore di B. subtilis a temperature più basse e brevi periodi di calore, sufficienti a uccidere la maggior parte dei batteri. I sopravvissuti venivano cresciuti, fatti sporulare e poi esposti a un periodo leggermente più lungo di caldo o anche a temperature più elevate. Nel corso del tempo, B. subtilis ha sviluppato la capacità di tollerare mezz’ora di temperature che avrebbero ucciso la maggior parte del ceppo originale. Il ceppo risultante è stato poi incorporato nel TPU, che è stato poi trasformato in plastica attraverso un normale processo di estrusione.

Ci si potrebbe aspettare che mettere diverso materiale biologico in una plastica la indebolisca, ma si è rivelato vero il contrario, poiché varie misurazioni della sua resistenza alla trazione hanno dimostrato che la plastica contenente spore era più resistente della plastica pura.

Si è scoperto che le spore hanno una superficie idrorepellente che interagisce fortemente con i filamenti polimerici nella plastica. Il ceppo di batteri resistente al calore ha respinto l’acqua in modo ancora più forte e la plastica prodotta con queste spore è diventata ancora più resistente.

Per simulare lo smaltimento in discarica o i rifiuti insieme alla plastica, i ricercatori li hanno collocati nel compost. Anche senza batteri, erano presenti organismi che potevano degradarlo: entro cinque mesi nel compost, il semplice TPU ha perso quasi la metà della sua massa. Con le spore di B. subtilis incorporate, la plastica ha perso il 93% della sua massa nello stesso periodo di tempo.

Conclusioni

Questo non significa che il problema della plastica sia risolto. Ovviamente, il TPU si rompe relativamente facilmente. Esistono molte materie plastiche che non si decompongono in modo significativo e potrebbero non essere compatibili con l’incorporazione di spore batteriche.

Inoltre, è possibile che alcuni usi del TPU espongano la plastica ad ambienti che attiverebbero le spore, ad esempio la manipolazione degli alimenti o i cavi interrati.Tuttavia, è possibile che questo nuovo processo di scomposizione possa fornire una soluzione in alcuni casi, per cui vale la pena esplorarlo ulteriormente.

Lo studio è stato pubblicato su Nature Comuncations.