Ученые создают экологичный пластик из отходов с помощью бактерий

Исследователи из Национальной лаборатории Айдахо (INL) и Университета штата Вашингтон (WSU) разработали способ производства биоразлагаемого пластика из отходов с помощью бактерий и его использования в композитных материалах.

Бактериальный пластик как запас жира

Многие виды бактерий, получая избыток сахаров, спиртов или других простых источников углерода, запасают энергию в виде длинных полимерных цепей — полигидроксиалканоатов (PHA). По сути, это пластик.

"Пластик для этих бактерий — как жир", — поясняет биохимический инженер INL Дэвид Томпсон. Бактерии не только производят PHA, но и способны его разлагать.

Композит, который становится компостом

Ученые создали композитную доску, состоящую почти в равных пропорциях из:

• Опилок
• Бактериального PHA
• Высушенных бактериальных клеток

Этот материал по прочности и долговечности сравним с обычными древесно-пластиковыми композитами на основе нефтепродуктов. Однако если его измельчить и поместить в активную компостную кучу, он полностью разложится за 3–6 месяцев. Нефтяной пластик в аналогичных условиях разлагается сотни лет.

Профессор WSU Майкл Вулкотт отмечает, что такой материал идеален для изделий с ограниченным сроком службы: например, для кольев, укрепляющих почву при строительстве дорог. "Вы можете снизить общие энергозатраты на строительство, избежав демонтажных работ", — говорит он. Разлагаясь, такой композит удобряет почву. "Это готовый компост", — добавляет Вулкотт.

Экономичный и экологичный процесс

Традиционное промышленное производство очищенного PHA из бактерий, которых кормят очищенным сахаром, — дорогой и ресурсоемкий процесс. В 1999 году в журнале Nature Biotechnology было подсчитано, что такой бактериальный пластик обходится в 4–10 раз дороже нефтяного и требует больше воды и энергии.

Команда под руководством Фрэнка Лоджа и Майкла Вулкотта нашла два способа сократить до 80% затрат на производство PHA:

1. Кормить бактерии бесплатными отходами, а не очищенным сахаром.
2. Включать высушенные бактериальные клетки вместе с пластиком в конечный продукт, минуя дорогостоящие этапы очистки.

"Мы делаем пластик с помощью микробов в сточных водах", — говорит Лодж.

Бактерии и "диета йо-йо"

Ученые успешно производили PHA, используя бактерии и отходы от пивоварни в Калифорнии, муниципальных очистных сооружений в Айдахо и целлюлозно-бумажного комбината в Огайо.

Команда INL обнаружила, что выход пластика можно увеличить, подвергая бактерии аналогу "диеты йо-йо": чередовать периоды изобилия пищи с голодом. "Дайте им всё, что они хотят, затем не давайте ничего", — объясняет Томпсон. В ответ бактерии накапливают больше пластика.

Когда бактерии набирали достаточно пластика, почти удваивая свой вес, исследователи убивали их, высушивали всю массу и отправляли в WSU для смешивания с опилками и формования в композитные доски.

Превращение самих бактерий в строительный материал — ключевое технологическое достижение проекта, отмечает микробиолог INL Уильям Смит.

Исследователи подсчитали, что если к 2020 году композиты с неочищенным бактериальным пластиком заменят половину всех древесно-пластиковых строительных материалов, строительная отрасль могла бы экономить энергию, эквивалентную более 2 млн тонн угля в год, и предотвращать выбросы нескольких сотен тонн загрязняющих веществ в год.

Команда ищет спонсоров для более масштабных испытаний и коммерциализации процесса.