Forskere konstruerer mikroorganismer til at tackle PET-plastikforurening

Fra overfyldte lossepladser til flydende affaldsøer i havene til mikroplastik i fjerntliggende vildmarksområder, milliarder af tons kasseret plastik har skabt en global forureningskrise.

Selvom plast er afgørende for vores hverdag, de er holdbare materialer, der ikke naturligt nedbrydes biologisk, det tager årtier eller endda århundreder at nedbryde på lossepladser eller det naturlige miljø. Mere end 82 millioner tons polyethylenterephthalat (PET) produceres globalt hvert år til fremstilling af engangsdrikflasker, emballage, tøj, og tæpper, og det er en af ​​de største kilder til plastikaffald.

Forskere fra U.S. Department of Energy's (DOE's) National Renewable Energy Laboratory (NREL) gør fremskridt med en mulig løsning på PET-affald. Et samarbejdende forskerhold kombinerer kemi og biologi for at gøre PET til et nylonmateriale med bedre egenskaber, der kan bruges til at skabe et mere alsidigt udvalg af nye produkter.

Sammen med de bio-optimerede teknologier til at holde termoplast ude af lossepladser og miljø (BOTTLE) Consortium, NREL-forskere og partnere fra Oak Ridge National Laboratory (ORNL) konstruerede en bakterie til at omdanne dekonstrueret PET til byggesten til et overlegent nylonprodukt. Som beskrevet i "Tandem kemisk dekonstruktion og biologisk upcycling af poly(ethylenterephthalat) til β-ketoadipinsyre af Pseudomonas putida KT2440, "for nylig offentliggjort i Metabolic Engineering, disse højtydende monomerer kan derefter genanvendes til plastmaterialer og produkter af højere værdi, en proces kendt som upcycling.

"Dette biologiske konverteringstrin er en vigtig del af ligningen, der gør PET upcycling mulig, skabe mulighed for at forvandle forurenende plastikflasker til værdsatte fremstillingsmaterialer, i sidste ende flytte os tættere på en cirkulær økonomi i stor skala, " sagde NREL-videnskabsmand og førsteforfatter af tidsskriftsartikel Allison Werner.

En cirkulær økonomi kan forlænge den funktionelle levetid af molekylerne til fremstilling af jomfruelig plastik, samtidig med at man reducerer spild, bevarelse af ressourcer, og øge effektiviteten. Dette kan hjælpe med at levere forsyninger, der er fremstillet ved at bruge mindre råmaterialer og energi og holde sig væk fra lossepladser.

BOTTLE-forskere undersøger, hvordan en række kemiske og biologiske processer kan bruges til at dekonstruere plastikaffald og opgradere dem til højere værdi, genanvendelige materialer. Det nylige BOTTLE-projekt dekonstruerede PET ved hjælp af en kemo-katalytisk proces og konstruerede bakterien Pseudomonas putida KT2440 til at omdanne PET til den kemiske β-ketoadipinsyre (βKA), en byggeklods til præstationsfordelt nylon.

NREL og ORNL samarbejdede om at konstruere bakterierne. ORNL konstruerede bakterierne til at bruge et nøglemellemprodukt i PET-nedbrydning, hvilket gjorde det muligt for NREL-teamet at bygge en komplet platform til biokonvertering.

Håndtering af problem PET

Hver type plast har sine egne molekylære egenskaber, der potentielt kræver forskellige metoder til at dekonstruere. PET kan dekonstrueres til monomerer ved hjælp af flere forskellige kemiske processer. Imidlertid, de mekaniske metoder, der bruges til størstedelen af ​​PET-genanvendelse i dag, kan resultere i dårlig kvalitet og mindre rentable produkter, fører til lave genanvendelsesprocenter. Forskellige kilder viser, at i øjeblikket kun 15% til 35% af alle PET-flasker finder et andet liv.

De biologiske transformationer udviklet af NREL- og ORNL-forskere til P. putida, parret med en kemo-katalytisk glykolyseproces, kan skabe et mere værdifuldt produkt fra PET og i sidste ende tilskynde til højere genvindingsrater - i sidste ende omsættes til færre kasserede plastikflasker, der forurener havvand og bjergområders vildmarksområder.

Materialet udvundet gennem denne tandem katalytiske dekonstruktion og biologiske konverteringsteknik tilbyder bedre egenskaber end de almindelige typer nylon, det er beregnet til at erstatte, herunder lavere vandpermeabilitet, højere smeltetemperatur, og højere glasovergangstemperatur. Disse ydelsesfordele udvider måden, materialet kan bruges på, herunder til bildele, der skal modstå høje temperaturer. Øget værdi af det genbrugte materiale kan tilskynde industrien til at genbruge mere plastik, fører til plastgenvinding i meget større skala.

Nægter at vælte over plastikforurening

Selvom dette indledende gennembrud allerede lover at udvide mulighederne for PET-upcycling, forskere fortsætter med at forfine tilgangen. Ud over at optimere grænsefladen mellem kemi og biologi, holdet vurderer en lang række andre faktorer.

Postconsumer PET-affaldsstrømme kan indeholde tilsætningsstoffer, som P. putida muligvis ikke er i stand til at nedbryde. Characterization of these streams to identify the chemicals present and engineering metabolic pathways to enable consumption of these compounds as well will be needed to maximize efficiency of the bioconversion process, increase yields, and comprehensively deal with the plastic waste.

The future success of any tandem deconstruction and upcycling approach for PET will ultimately be determined by its combined technical feasibility, economic viability, and environmental impact. The NREL team plans to perform techno-economic analysis and life cycle assessment to build a better understanding of the process energy requirements and greenhouse gas emissions.

"Plastics have revolutionized modern life, men, indtil for nylig, plastic manufacturing has followed a strictly linear economy and is carbon-intensive, " said NREL Senior Research Fellow, BOTTLE Consortium Lead, and journal article senior author Gregg Beckham. "Circular approaches to this problem can reduce our reliance on fossil-based carbon and thus reduce greenhouse gas emissions. With annual plastic production expected at nearly 600 million tons by 2050, the time to act is now."

The efforts of NREL and the BOTTLE Consortium, including these new chemical deconstruction and biological upcycling techniques, will be vital tactics in combatting the plastic pollution crisis and the environmental and energy challenges associated with climate change.