Un nuovo tipo di bioplastica potrebbe contribuire a ridurre l'impatto ambientale derivante dall'industria della plastica. A svilupparlo i ricercatori guidati dall'Università della California San Diego. La nuova forma biodegradabile, composta da poliuretano termoplastico o TPU, descritta su Nature Communications, non è altro che una plastica commerciale morbida ma resistente, utilizzata per calzature, tappetini, cuscini e schiuma di memoria.
Un nuovo tipo di plastica
Al suo interno si trovano spore batteriche che, esposte ai nutrienti presenti nel compost, germinano e decompongono il materiale alla fine del suo ciclo di vita. Il TPU biodegradabile è stato realizzato con spore batteriche di un ceppo di Bacillus subtilis, che ha la capacità di scomporre i materiali polimerici plastici. "È una proprietà intrinseca di questi batteri", ha spiegato Jon Pokorski, professore di nanoingegneria presso la Jacobs School of Engineering dell'UC San Diego e co-responsabile del Materials Research Science and Engineering Center, MRSEC, dell'università. "Abbiamo preso alcuni ceppi e valutato la loro capacità di utilizzare il TPU come unica fonte di carbonio, poi abbiamo scelto quello che cresceva meglio", ha continuato Pokorski, che è anche coautore dello studio.
I ricercatori hanno utilizzato le spore batteriche, una forma dormiente di batteri, per la loro resistenza a condizioni ambientali difficili. A differenza delle spore fungine, che hanno un ruolo riproduttivo, le spore batteriche hanno uno scudo proteico protettivo che consente ai batteri di sopravvivere in stato vegetativo. Per produrre la plastica biodegradabile, gli scienziati hanno inserito spore di Bacillus subtilis e pellet di TPU in un estrusore di plastica. Gli ingredienti sono stati mescolati e fusi a 135 gradi Celsius, quindi estrusi sotto forma di sottili strisce di plastica.
La biodegradabilità del materiale
Per valutare la biodegradabilità del materiale, le strisce sono state collocate in ambienti di compostaggio microbicamente attivi e sterili. Gli ambienti di compostaggio sono stati mantenuti a 37 gradi Celsius con un'umidità relativa compresa tra il 44 e il 55%. L'acqua e gli altri nutrienti presenti nel compost hanno innescato la germinazione delle spore all'interno delle strisce di plastica, che hanno raggiunto il 90% di degradazione in cinque mesi. "L'aspetto notevole è che il nostro materiale si decompone anche senza la presenza di altri microbi", ha dichiarato Pokorski. "È probabile che la maggior parte di queste plastiche non finisca in impianti di compostaggio ricchi di microbi", ha aggiunto Pokorski. "La capacità di autodegradarsi in un ambiente privo di microbi rende la nostra tecnologia più versatile", ha precisato Pokorski.
"Plastica vivente"
Sebbene i ricercatori debbano ancora studiare cosa rimane dopo la degradazione del materiale, ritengono che le spore batteriche persistenti siano probabilmente innocue. Il Bacillus subtilis è un ceppo utilizzato nei probiotici ed è generalmente considerato sicuro per gli esseri umani e gli animali, e può persino essere utile per la salute delle piante. Nello studio, le spore batteriche sono state modificate evolutivamente per sopravvivere alle alte temperature necessarie per la produzione di TPU.
I ricercatori hanno utilizzato una tecnica, chiamata evoluzione adattativa di laboratorio, per creare un ceppo resistente alle temperature di estrusione. Il processo consiste nel coltivare le spore, sottoporle a temperature estreme per periodi di tempo crescenti e permettere loro di mutare naturalmente. I ceppi che sopravvivono a questo processo vengono poi isolati e sottoposti a un nuovo ciclo. "Abbiamo fatto evolvere le cellule più e più volte fino ad arrivare a un ceppo ottimizzato per tollerare il calore", ha detto Adam Feist, ricercatore in bioingegneria presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego e coautore dello studio. "È incredibile come questo processo di evoluzione e selezione batterica abbia funzionato bene per questo scopo", ha proseguito Feist.
Il ruolo delle spore
Le spore fungono anche da riempitivo di rinforzo. Il risultato è una variante del TPU con proprietà meccaniche migliorate, che richiede una forza maggiore per rompersi e presenta una maggiore estensibilità. "Entrambe le proprietà migliorano notevolmente con l'aggiunta delle spore", ha sottolineato Pokorski. "È un'ottima cosa perché l'aggiunta di spore spinge le proprietà meccaniche oltre i limiti conosciuti, dove in precedenza c'era un compromesso tra resistenza alla trazione ed estensibilità", ha notato Pokorski.
Mentre lo studio attuale si è concentrato sulla produzione di piccole quantità in laboratorio per capire la fattibilità, i ricercatori stanno lavorando per ottimizzare l'approccio per l'uso su scala industriale. Gli sforzi in corso includono l'aumento della produzione a quantità di chilogrammi, l'evoluzione dei batteri per scomporre più velocemente i materiali plastici e l'esplorazione di altri tipi di plastica oltre al TPU. "Ci sono molti tipi diversi di plastiche commerciali che finiscono nell'ambiente e il TPU è solo uno di questi", ha evidenziato Feist. "Uno dei nostri prossimi passi è quello di ampliare la gamma di materiali biodegradabili che possiamo produrre con questa tecnologia", ha concluso Feist.