Innovative plastiche biodegradabili contenenti enzimi immobilizzati su nanoparticelle

L’origine delle materie plastiche

Le materie plastiche sono una vasta gamma di materiali sintetici o semisintetici che utilizzano i polimeri come base principale. La loro plasticità consente di modellarle, estruderle o pressarle in oggetti solidi di varie forme. Questa adattabilità, come la leggerezza, la durevolezza, la flessibilità e soprattutto l’economicità di produzione, ha portato al loro impiego diffuso e crescente.

La grande maggioranza delle plastiche moderne deriva da sostanze chimiche ottenute da risorse fossili come il gas naturale e/o il petrolio. Fortunatamente, alcuni processi di produzione recenti utilizzano materie prime rinnovabili, come i derivati del mais o del cotone.

Poiché la struttura chimica della maggior parte delle materie plastiche le rende durevoli, esse sono resistenti a molti processi di degradazione naturale (biodegradazione). Infatti, gran parte delle plastiche non biodegradabili può persistere negli ambienti per diversi secoli causando, di conseguenza, gravissimi danni ambientali (Fig. 1).

Fotografia di un’isola di rifiuti plastici nell’Oceano Pacifico.
Figura 1 – Fotografia di un’isola di rifiuti plastici nell’Oceano Pacifico.

Plastiche: problema o risorsa?

La produzione mondiale di plastica cresce ogni anno e supera ad oggi le 400 Mton/a. Circa il 6% della plastica prodotta finisce nell’ambiente naturale e negli oceani dove attualmente galleggiano oltre 269 milioni di tonnellate di plastica!

Per arrestare l’accumulo di plastica nell’ambiente è fondamentale migliorare la gestione dei rifiuti, al fine di rimuovere la plastica dall’ambiente e passare ad un’alternativa intrinsecamente sicura: la plastica biodegradabile!

Le materie plastiche biodegradabili hanno le stesse proprietà di quelle convenzionali ma possono offrire l’ulteriore vantaggio di non creare sprechi e ridurre l’impronta di carbonio quando sono a base biologica.

Tuttavia, la plastica tradizionale di origine fossile non biodegradabile è economica (<2 €/kg) mentre finora la plastica biodegradabile costa fino a 6 €/kg. Pertanto, il costo del passaggio a questo nuovo materiale può essere inaccettabile per i paesi in via di sviluppo. E sono proprio questi paesi i punti caldi del rilascio incontrollato di rifiuti di plastica e qualsiasi cambiamento che non dovesse coinvolgerli sarà semplicemente inefficace per l’obiettivo globale di lotta all’inquinamento ambientale ai cambiamenti climatici.

Bioplastiche e plastiche biodegradabili: definizioni

È importante sottolineare che “plastiche biodegradabili” e “bioplastiche” non sono la stessa cosa! Secondo la definizione dell’European Bioplastics, la bioplastica è un tipo di plastica che può essere biodegradabile, a base biologica (bio-based) o possedere entrambe le caratteristiche.

In particolare, una bioplastica può:

  1. derivare parzialmente o interamente da una biomassa (risorsa rinnovabile) e non essere biodegradabile (per esempio: bio-polietilene, bio-polietilentereftalato);
  2. essere prodotta interamente da materie prime fossili ed essere biodegradabile (per esempio: polibutirrato, policaprolattone, polibutilene succinato);
  3. derivare parzialmente o interamente da biomassa ed essere biodegradabile (per esempio: acido polilattico, poliidrossialcanoati, plastiche a base di amido).

Secondo la definizione fornita da Assobioplastiche, per bioplastiche si intendono quei materiali e quei manufatti, siano essi da fonti rinnovabili che di origine fossile, che hanno la caratteristica di essere biodegradabili e compostabili (Fig. 2).

Rappresentazione schematica della classificazione delle materie plastiche.
Figura 2 – Rappresentazione schematica della classificazione delle materie plastiche.

Inoltre, Assobioplastiche suggerisce di non includere nelle bioplastiche quelle derivanti (parzialmente o interamente) da biomasse, che non siano biodegradabili e compostabili, indicandole piuttosto con il nome “plastiche vegetali”.

Lo studio innovativo sulle plastiche biodegradabili

Una recente ricerca scientifica condotta da un gruppo dell’Università di Berkeley, coordinato dalla Professoressa Ting Xu, ha portato allo sviluppo di bioplastiche in grado di essere biodegradate in un lasso di tempo significativamente minore.

L’obiettivo è quello di consentire anche ai consumatori di degradare queste plastiche in casa propria limitando il più possibile lo sversamento e la persistenza nell’ambiente.

I ricercatori sono partiti dalla considerazione che molte plastiche biodegradabili spesso impiegano mesi o anni per decomporsi con il rischio di formare microplastiche potenzialmente pericolose per l’uomo e gli animali. Essi sono stati in grado di accelerare il processo di biodegradazione attraverso enzimi immobilizzati su nanoparticelle ubicatein un rivestimento protettivo all’intero della struttura polimerica della plastica (Fig. 3).

Rappresentazione schematica dell’innovativo materiale polimerico contenente enzimi immobilizzati su nanoparticelle che in opportune condizioni chimico-fisiche accelerano il processo di biodegradazione della plastica.

Figura 3 – Rappresentazione schematica dell’innovativo materiale polimerico contenente enzimi immobilizzati su nanoparticelle che in opportune condizioni chimico-fisiche accelerano il processo di biodegradazione della plastica.

L’esposizione a umidità e temperature comprese tra 40 e 60 °C libera gli enzimi, che decompongono i polimeri in monomeri di unità trimeriche in poche ore o giorni.

I vantaggi della scoperta

Il policaprolattone (PCL) e l’acido polilattico (PLA) sono plastiche biodegradabili utilizzate per la produzione industriale di contenitori per alimenti, di dispositivi biomedici e di sacchetti per rifiuti. Tuttavia, questi polimeri si degradano facilmente solo alle alte temperature che si trovano negli impianti di compostaggio industriale.

Il nuovo materiale realizzato dai ricercatori di Berkeley incorpora nanoparticelle ed enzimi lipasi e/o proteinasi K avvolte in un polimero costituito da una miscela di esteri metilenici metacrilici. Questo rivestimento protegge gli enzimi dalle alte temperature necessarie per fondere ed estrudere la plastica a formare fogli e altri oggetti.

Solo quando la plastica è esposta all’umidità e al calore o alla luce UV, lo strato protettivo polimerico si rompe, rilasciando gli enzimi all’interno della plastica. I test condotti hanno permesso una biodegradazione della plastica pari al 98% in appena 36 ore (Fig. 4).

Fotografia del processo di biodegradazione del policaprolattone a soli 40 °C per 36 ore in presenza di enzimi lipasi.
Figura 4 – Fotografia del processo di biodegradazione del policaprolattone a soli 40 °C per 36 ore in presenza di enzimi lipasi.

Le nanoparticelle su cui sono immobilizzati gli enzimi rappresentano meno del 2% in peso del materiale, per cui esse non interferiscono con le proprietà chimiche e meccaniche della plastica.

Le prospettive future dello studio

Nelle tipiche plastiche biodegradabili, i microrganismi mangiatori di polimeri, presenti nei cumuli di compost, degradano le parti amorfe ma non quelle cristalline. Di conseguenza, i materiali non sono completamente scomposti, lasciando frammenti di microplastica cristallina.

Al contrario, il principale vantaggio di questo nuovo sistema ibrido consiste nel fatto che, incorporando in maniera finemente dispersa gli enzimi all’interno della plastica, essi sono in una posizione migliore per accedere alle parti cristalline e degradare completamente i polimeri in combinazione con l’azione esterna dei microrganismi.

In un futuro non troppo lontano, grazie alla produzione di nuove plastiche contenenti enzimi litici le persone saranno in grado di decomporre le plastiche nelle loro case, sia in vasche di acqua calda sia in pile di compost nel giardino. Il metodo sarebbe inoltre compatibile con i servizi di compostaggio municipale su scala più ampia.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Bibliografia:

  • DelRe, C., Jiang, Y., Kang, P., Kwon, J., Hall, A., Jayapurna, I., & Xu, T. (2021). Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes. Nature, 592(7855), 558-563.
  • Khan, I., Nagarjuna, R., Dutta, J. R., & Ganesan, R. (2019). Enzyme-embedded degradation of poly (ε-caprolactone) using lipase-derived from probiotic Lactobacillus plantarum. ACS omega, 4(2), 2844-2852.
  • Huang, Q., Hiyama, M., Kabe, T., Kimura, S., & Iwata, T. (2020). Enzymatic self-biodegradation of poly (L-lactic acid) films by embedded heat-treated and immobilized proteinase K. Biomacromolecules, 21(8), 3301-3307.

Crediti immagini:

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