O plástico vivo biodegradável abriga esporos bacterianos que o ajudam a se decompor
Tiras de TPU simples (parte superior) e TPU "vivo" (parte inferior) em diferentes estágios de decomposição ao longo de cinco meses de compostagem. Crédito:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering Um novo tipo de bioplástico poderia ajudar a reduzir a pegada ambiental da indústria do plástico. Pesquisadores liderados pela Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram uma forma biodegradável de poliuretano termoplástico (TPU), um plástico comercial macio, porém durável, usado em calçados, tapetes, almofadas e espuma viscoelástica. É repleto de esporos bacterianos que, quando expostos aos nutrientes presentes no composto, germinam e decompõem o material ao final de seu ciclo de vida.
O trabalho está detalhado em artigo publicado em 30 de abril na Nature Communications .
O TPU biodegradável foi feito com esporos bacterianos de uma cepa de Bacillus subtilis que tem a capacidade de quebrar materiais poliméricos plásticos.
"É uma propriedade inerente a essas bactérias", disse o co-autor sênior do estudo Jon Pokorski, professor de nanoengenharia na Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego e co-líder do Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais (MRSEC) da universidade. “Pegamos algumas cepas e avaliamos sua capacidade de usar TPUs como única fonte de carbono e, em seguida, escolhemos aquela que cresceu melhor”.
Os pesquisadores usaram esporos bacterianos, uma forma latente de bactéria, devido à sua resistência a condições ambientais adversas. Ao contrário dos esporos de fungos, que desempenham um papel reprodutivo, os esporos bacterianos têm um escudo proteico protetor que permite que as bactérias sobrevivam enquanto estão em estado vegetativo.
Para fazer o plástico biodegradável, os pesquisadores alimentaram esporos de Bacillus subtilis e pellets de TPU em uma extrusora de plástico. Os ingredientes foram misturados e derretidos a 135 graus Celsius, depois extrudados como finas tiras de plástico.
Para avaliar a biodegradabilidade do material, as tiras foram colocadas em ambientes de compostagem microbianamente ativos e estéreis. As configurações de compostagem foram mantidas a 37 graus Celsius com umidade relativa variando de 44 a 55%. A água e outros nutrientes do composto desencadearam a germinação dos esporos dentro das tiras de plástico, que atingiram 90% de degradação em cinco meses.
Um “plástico vivo” biodegradável é feito pela combinação de pellets de poliuretano termoplástico (esquerda) e esporos de Bacillus subtilis (direita) que foram projetados para sobreviver às altas temperaturas usadas para produzir o plástico. Crédito:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
“O que é notável é que o nosso material se decompõe mesmo sem a presença de micróbios adicionais”, disse Pokorski. “É provável que a maioria destes plásticos não acabe em instalações de compostagem microbianamente ricas. Portanto, esta capacidade de autodegradação num ambiente livre de micróbios torna a nossa tecnologia mais versátil”.
Embora os pesquisadores ainda precisem estudar o que fica para trás após a degradação do material, eles observam que quaisquer esporos bacterianos remanescentes são provavelmente inofensivos. Bacillus subtilis é uma cepa usada em probióticos e geralmente considerada segura para humanos e animais – pode até ser benéfica para a saúde das plantas.
Neste estudo, os esporos bacterianos foram projetados evolutivamente para sobreviver às altas temperaturas necessárias para a produção de TPU. Os pesquisadores usaram uma técnica chamada evolução adaptativa de laboratório para criar uma cepa resiliente às temperaturas de extrusão. O processo envolve o crescimento dos esporos, submetendo-os a temperaturas extremas por períodos crescentes de tempo e permitindo que sofram mutações naturais. As cepas que sobrevivem a esse processo são então isoladas e submetidas novamente ao ciclo.
“Nós evoluímos continuamente as células repetidamente até chegarmos a uma cepa que é otimizada para tolerar o calor”, disse o coautor sênior do estudo, Adam Feist, cientista pesquisador de bioengenharia da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego. “É incrível como esse processo de evolução e seleção bacteriana funcionou bem para esse propósito”.
Os esporos também servem como enchimento de reforço, semelhante à forma como o vergalhão reforça o concreto. O resultado é uma variante de TPU com propriedades mecânicas aprimoradas, exigindo mais força para quebrar e exibindo maior elasticidade.
“Ambas as propriedades são bastante melhoradas apenas com a adição dos esporos”, disse Pokorski. "Isso é ótimo porque a adição de esporos leva as propriedades mecânicas além das limitações conhecidas, onde antes havia um compromisso entre resistência à tração e elasticidade."
Embora o estudo atual se concentre na produção de quantidades menores em escala laboratorial para compreender a viabilidade, os pesquisadores estão trabalhando na otimização da abordagem para uso em escala industrial. Os esforços contínuos incluem aumentar a produção para quantidades em quilogramas, desenvolver as bactérias para decomporem os materiais plásticos mais rapidamente e explorar outros tipos de plásticos além do TPU.
“Existem muitos tipos diferentes de plásticos comerciais que acabam no meio ambiente – o TPU é apenas um deles”, disse Feist. “Um dos nossos próximos passos é ampliar o escopo de materiais biodegradáveis que podemos fabricar com esta tecnologia”.
