„Kompostowalny” nie znaczy „rozłoży się w morzu”

Słowo „kompostowalny” opisuje zachowanie materiału w określonych warunkach końca życia. Zwykle chodzi o środowisko kompostowania, w którym temperatura, wilgotność, dostęp tlenu i aktywność mikroorganizmów mieszczą się w zakresie przewidzianym dla danego procesu. Ocean nie jest takim środowiskiem.

Woda morska może być zimna, uboga w tlen i pozbawiona tych mikroorganizmów, które skutecznie rozkładają konkretny polimer. Wraz z głębokością zmieniają się temperatura, ciśnienie oraz skład lokalnej społeczności biologicznej. Wcześniejsze doświadczenia pokazywały, że niektóre biodegradowalne poliestry są rozkładane przez mikroorganizmy głębinowe, ale tempo tego procesu spadało z głębokością. Inne badania kompostowalnych tworzyw zanurzonych w naturalnym środowisku morskim nie wykazywały istotnej degradacji większości próbek.

To rozróżnienie ma znaczenie także dlatego, że naturalny rozkład poliestru zaczyna się od jego powierzchni. Mikroorganizmy i enzymy muszą dotrzeć do wiązań chemicznych w długich łańcuchach polimeru. W chłodnej wodzie, przy wysokim ciśnieniu i ograniczonej aktywności biologicznej ten pierwszy etap może zachodzić bardzo powoli.

Nowa praca, opublikowana w Nature, wychodzi od tego problemu. Zamiast liczyć wyłącznie na enzymy obecne w środowisku, autorzy umieścili enzym wewnątrz materiału jeszcze podczas jego wytwarzania. Dzięki temu reakcja nie musi zaczynać się tylko na zewnętrznej powierzchni próbki.

Enzym w środku materiału, nie tylko na jego powierzchni

W badaniu wykorzystano dwa enzymy. Pierwszym była lipaza B z Candida antarctica, oznaczana jako CaLB, drugim kutynaza z Humicola insolens, czyli HiC. Enzymy mieszano z czterema poliestrami: PBS, PBSA, PCL i PBAT. Następnie całość poddawano wytłaczaniu dwuślimakowemu w temperaturze od 90 do 130°C. W ten sposób powstawały folie o grubości 100–300 µm oraz mikrokulki o średnicy 20–300 µm.

Ważne było nie samo dodanie enzymu, lecz jego rozmieszczenie. Cząsteczki pozostawały rozproszone w całej matrycy polimerowej. Kiedy woda docierała do enzymu, ten mógł katalizować hydrolizę wiązań estrowych w wielu miejscach materiału. Długie łańcuchy polimeru rozpadały się na krótsze, rozpuszczalne fragmenty, w tym oligomery i monomery.

To mechanizm inny niż zwykłe kruszenie tworzywa. Jeśli próbka tylko pęka albo traci masę wskutek oderwania kawałków, nie wiemy jeszcze, co stało się z polimerem. Tutaj analiza HPLC wykazała obecność niskocząsteczkowych produktów hydrolizy, a ich ilość odpowiadała ubytkowi masy filmu. Był to bezpośredni ślad chemicznego rozcinania łańcuchów, niezależnego od działania mikroorganizmów.

Dopiero kolejny etap zależał od biologii środowiska. Rozpuszczalne produkty mogły zostać pobrane i metabolizowane przez mikroorganizmy. Pomiar biochemicznego zapotrzebowania na tlen, czyli BOD, wskazywał, że dla PBS z 0,1% HiC część materiału została zmineralizowana do dwutlenku węgla. W wodzie przybrzeżnej odpowiadało to 50,9% materiału. Dla PBS bez enzymu było to 4,7%, a dla filmu celulozowego użytego jako standard 59,3%.

BOD nie jest jednak pełnym bilansem ekologicznym wszystkich produktów końcowych. Pokazuje zakres biologicznego wykorzystania materiału w zastosowanym teście, ale nie rozstrzyga samodzielnie o losie każdego oligomeru, monomeru ani dodatku obecnego w gotowym wyrobie.

Od wody przybrzeżnej do równiny abisalnej

Autorzy sprawdzili, czy mechanizm działa poza laboratorium. Próbki umieszczano w kilku środowiskach, od portu JAMSTEC Yokosuka na głębokości 2–6 m, przez stanowiska na 757, 855 i 1292 m, aż po równinę abisalną na głębokości 5503 m. Część próbek odzyskiwano po około miesiącu, inne pozostawały w wodzie do 18 miesięcy.

W wodzie przybrzeżnej po miesiącu PBS zawierający 0,1% HiC stracił 27,4% masy. Dla PBSA ubytek wyniósł 100%, a dla PCL 85,5%. W przypadku PBAT zastosowano 0,5% HiC i uzyskano ubytek masy równy 11,3%. Już te wartości pokazują, że działanie enzymu zależało od rodzaju polimeru, a jedna receptura nie dawała identycznego efektu we wszystkich materiałach.

W głębinie warunki były trudniejsze. Niska temperatura, wysokie ciśnienie i odmienna aktywność biologiczna spowalniały proces, dlatego zwykle stosowano 3% masowego enzymu. Na głębokości 757 m folie z HiC osiągnęły niemal całkowity rozkład w ciągu pięciu miesięcy w przypadku PBS, PBSA i PCL. Kontrolne próbki bez enzymu traciły na dnie morza niewiele masy, od 0,4 do 12,9% po długotrwałym zanurzeniu.

Wynik z głębokości 757 m nie jest jednak uniwersalnym czasem rozkładu. Skuteczność zależała od polimeru, rodzaju enzymu i jego stężenia, a także od temperatury, ciśnienia, czasu ekspozycji i lokalnej społeczności mikroorganizmów. Co szczególnie ważne, najbardziej atrakcyjny praktycznie dodatek 0,1% dotyczył przede wszystkim testów przybrzeżnych. W głębinie stosowano zwykle znacznie większe stężenie.

Szybszy rozkład bez celowego osłabiania tworzywa

Dodanie enzymu ma sens użytkowy tylko wtedy, gdy materiał zachowuje swoje właściwości podczas pracy. Autorzy porównali więc właściwości mechaniczne filmów z enzymem i bez niego. Przy dodatku 0,1% masowego były one podobne do właściwości materiału wyjściowego.

To odróżnia opisaną strategię od prostego zwiększania porowatości albo celowego osłabiania tworzywa. W suchym środowisku użytkowania aktywność degradacyjna nie ujawniała się w sposób opisany w komunikacie Uniwersytetu Tokijskiego. Po kontakcie z wodą enzym stawał się dostępny dla reakcji. Materiał zachowywał się więc jak układ, w którym wilgoć uruchamia drugi etap jego historii.

Nie oznacza to gwarancji stabilności każdego gotowego wyrobu. Badanie obejmowało konkretne receptury, folie i mikrokulki. Grubszy element, włókno, sieć rybacka, kompozyt albo opakowanie zawierające barwniki i inne dodatki może inaczej przepuszczać wodę i udostępniać wiązania estrowe. Znaczenie mają także krystaliczność, grubość oraz rzeczywiste rozmieszczenie enzymu w materiale.

Czy to krok w stronę czystych głębin?

Nowe badanie pokazuje sposób na przyspieszenie pierwszego etapu degradacji poliestrów w środowisku, w którym naturalny proces bywa powolny. Enzym rozproszony wewnątrz materiału może rozcinać jego łańcuchy, a powstałe produkty mogą następnie przejąć mikroorganizmy. Testy terenowe pokazały, że strategia działała nie tylko w wodzie przybrzeżnej, lecz także na dnie morza, do głębokości 5503 m.

Zakres tego wniosku jest jednak określony przez sam eksperyment. Badano cztery poliestry, dwa enzymy, folie i mikrokulki oraz kilka lokalizacji w rejonie Japonii. Nie wiadomo, czy podobne rezultaty dotyczą innych tworzyw, takich jak PLA, poliolefiny, laminaty i materiały wielowarstwowe. Nie wiadomo też, jak zachowają się próbki w oceanach o innej temperaturze, zasoleniu, składzie osadów, dostępności tlenu i mikrobiomie.

Ubytek masy, obecność rozpuszczalnych produktów oraz wskazania BOD opisują różne etapy procesu. Razem dostarczają mocniejszego obrazu niż sama obserwacja, że próbka stała się lżejsza. Nie stanowią jednak pełnego, długoterminowego bilansu ekologicznego. Do osobnej oceny pozostają los monomerów i oligomerów, wpływ dodatków oraz to, czy produkty degradacji są całkowicie i bezpiecznie metabolizowane w różnych ekosystemach.

Badanie nie obejmowało jeszcze pełnego cyklu życia materiału, zapotrzebowania na energię i enzymy, kosztów produkcji ani skutków masowego wdrożenia. Nie odpowiada również na pytanie, czy proces można przenieść na skalę przemysłową. Wcześniejsza praca tej grupy, opublikowana w Biomacromolecules, pokazywała działanie HiC głównie w warunkach laboratoryjnych, natomiast obecna rozszerza ten kierunek o testy in situ i drugi enzym. Kolejnym krokiem pozostaje sprawdzenie, czy wyniki powtórzą niezależne zespoły oraz jak materiały zachowają się podczas długotrwałego kontaktu z różnymi środowiskami morskimi.