Գիտնականները մշակել են ֆերմենտներով պլաստիկ, որը արագացնում է դրա քայքայումը ծովի ջրում

Ճապոնացի հետազոտողները մշակել են ծովի ջրում, այդ թվում՝ մեծ խորություններում, կոմպոստացվող պլաստիկի կենսաբանական քայքայումը արագացնելու միջոց։ Հատուկ ֆերմենտների անմիջական ներդրումը նյութի մեջ թույլ է տվել 757 մետր խորության վրա հինգ ամսում հասնել որոշ պոլիմերների գրեթե ամբողջական քայքայման։ Տեխնոլոգիան կարող է օգնել կրճատել օվկիանոսում պլաստիկ թափոնների կուտակումը, որտեղ սովորական կոմպոստացվող նյութերը կարող են պահպանվել երկար ժամանակ։

Հետազոտության արդյունքները հրապարակվել են Nature ամսագրում։ Գիտնականները ստուգել են մշակումը առափնյա ջրում և ծովի հատակին՝ 757-ից մինչև 5503 մետր խորություններում։ Փորձերում օգտագործվել են կոմպոստացվող պոլիեսթերների չորս տեսակ, որոնք կիրառվում են որպես ավանդական պլաստիկների այլընտրանք։

Ինչպես են ֆերմենտներն արագացնում պլաստիկի քայքայումը

Կոմպոստացվող պլաստիկի շատ տեսակներ նախատեսված են առաջին հերթին արդյունաբերական կոմպոստացման պայմաններում քայքայվելու համար, որտեղ պահպանվում են բարձր ջերմաստիճան, խոնավություն և միկրոօրգանիզմների բարձր ակտիվություն։ Ծովային միջավայրում գործընթացը կարող է ընթանալ զգալիորեն ավելի դանդաղ, հատկապես մեծ խորություններում՝ ցածր ջերմաստիճանի, բարձր ճնշման և տեղական մանրէաբանական համայնքների առանձնահատկությունների պատճառով։

Այս խնդիրը լուծելու համար հետազոտողները պոլիմերային կառուցվածքի մեջ ներդրել են երկու ֆերմենտ՝ Candida antarctica-ի լիպազա B և HiC կուտինազա։ Դրանք ունակ են ճեղքել տարբեր պոլիեսթերներում առկա քիմիական կապերը։ Ֆերմենտները նյութին ավելացվել են անմիջապես ջերմային մշակման ընթացքում՝ պահպանելով դրանց կատալիտիկ ակտիվությունը։

Փորձերում ուսումնասիրվել են պոլիբութիլենսուկցինատը (PBS), պոլիբութիլենսուկցինատի և ադիպատի համապոլիմերը (PBSA), պոլիկապրոլակտոնը (PCL) և պոլիբութիլենադիպատի ու տերեֆտալատի համապոլիմերը (PBAT)։ Գիտնականները դրանցից պատրաստել են բարակ թաղանթներ և 20-ից 300 միկրոմետր չափի միկրոգրանուլներ՝ տարբեր ձև ունեցող նյութերի վրա տեխնոլոգիայի ազդեցությունը ստուգելու համար։

Գրեթե ամբողջական քայքայում՝ հինգ ամսում

757 մետր խորության վրա PBS, PBSA և PCL թաղանթները, որոնք զանգվածով պարունակում էին 3% HiC կուտինազա, հինգ ամսում կորցրել են իրենց սկզբնական զանգվածի գրեթե ամբողջը։ Համեմատության համար՝ առանց ֆերմենտների նմուշները նույն ժամանակահատվածում գրեթե չէին քայքայվում։

Առափնյա ջրում արդյունքներին հաջողվել է հասնել ֆերմենտի զգալիորեն ավելի փոքր խտության դեպքում։ PBS, PBSA և PCL թաղանթները՝ ընդամենը 0,1% HiC հավելումով, մեկ ամսում կորցրել են համապատասխանաբար զանգվածի 27,4%-ը, 100%-ը և 85,5%-ը։ Միևնույն ժամանակ PBAT-ը ավելի դիմացկուն է եղել ճեղքման նկատմամբ. 757 մետր խորության վրա հինգ ամսում դրա զանգվածի կորուստը կազմել է 12,1%։

Հետազոտողները նաև հայտնաբերել են նյութերի արագացված քայքայում 5503 մետր խորության վրա։ Օրինակ՝ լիպազա պարունակող PBSA թաղանթները 18 ամսում կորցրել են զանգվածի 30,5%-ը, մինչդեռ առանց ֆերմենտի վերահսկիչ նմուշների դեպքում այդ ցուցանիշը կազմել է 1,6%։ Այսպիսով, տեխնոլոգիայի արդյունավետությունը կախված է պոլիմերի կազմից, օգտագործվող ֆերմենտից և շրջակա միջավայրի պայմաններից։

Միկրոգրանուլների ստուգումը ցույց է տվել, որ ֆերմենտները պահպանում են ակտիվությունը նաև փոքր չափի նյութերում։ Դրանց մակերևույթին հայտնվել են ծակոտիներ և ճաքեր, որոնք վկայում են պոլիմերի ճեղքման գործընթացի մասին։

Ամրության պահպանումը և տեխնոլոգիայի սահմանափակումները

Հետազոտության խնդիրներից մեկը պլաստիկի քայքայումը արագացնելն էր՝ չզրկելով այն անհրաժեշտ շահագործման հատկություններից։ 0,1% ֆերմենտ ավելացնելու դեպքում թաղանթների ձգման ամրությունը գրեթե չէր փոխվում։ Ավելի բարձր խտությունը, մասնավորապես 3%-ը, կարող էր նվազեցնել նյութի ամրությունն ու ձգման երկարացումը մինչև պատռվելը, թեև ցուցանիշները մնում էին այն սահմաններում, որոնք հեղինակները համարում են գործնականորեն կիրառելի։

Քիմիական վերլուծությունը ցույց է տվել, որ պոլիմերների ճեղքման ժամանակ առաջանում են փոքր մոլեկուլային զանգված ունեցող լուծելի արտադրանքներ։ Ծովի ջրով փորձարկումները նաև հաստատել են, որ միկրոօրգանիզմներն ունակ են վերամշակել այդ արտադրանքների մի մասը. մեկ ամսում 0,1% HiC պարունակող PBS թաղանթի կենսաբանական քայքայման ցուցանիշը հասել է 50,9%-ի՝ ըստ կենսաքիմիական թթվածնային սպառման չափման արդյունքների, որը օգտագործվել է նյութի միներալիզացիան գնահատելու համար։

Միևնույն ժամանակ գիտնականները ընդգծում են, որ արագացված քայքայումը չի նշանակում պլաստիկ աղտոտման խնդրի ինքնաբերաբար լուծում։ Տեխնոլոգիայի լայն կիրառման համար դեռ պետք է հաշվի առնել ֆերմենտների և հենց կոմպոստացվող պոլիմերների արժեքը, տարբեր պայմաններում քայքայման արագությունը, շրջակա միջավայրի վրա ազդեցությունը և քայքայման արտադրանքների հետագա ճակատագիրը։

Հեղինակները կարծում են, որ մեթոդը կարելի է հարմարեցնել նաև այլ արտադրատեսակների համար, ներառյալ ձկնորսական ցանցերն ու լարերը։ Սակայն գործնական ներդրման համար անհրաժեշտ է լրացուցիչ գնահատել դրա արդյունավետությունն ու բնապահպանական հետևանքները տարբեր ծովային էկոհամակարգերում։