Poliuretano: scoperto un batterio in grado di degradarlo

La plastica nel mondo

La plastica costituisce il terzo materiale umano più diffuso sulla Terra (preceduta da acciaio e cemento) e la sua produzione è sempre più in aumento. Si è, infatti, passati da una produzione di 15 milioni di tonnellate nel 1964 agli oltre 310 milioni di oggi (secondo una stima del 2018).

Il problema principale è rappresentato dallo smaltimento di questo materiale, di cui solo il 9% viene riciclato. Per questo, ogni anno, più di 8 milioni di tonnellate di plastica finiscono negli oceani del mondo, per un totale di circa 150 milioni di tonnellate. Anche il nostro Mediterraneo non ne è privo, con una densità di 1,25 milioni per km quadrato (valori superiori a quelli dell’isola di plastica nell’Oceano Pacifico, Figura 1).

Isola di plastica nell'Oceano Pacifico — *Figura 1 – Isola di plastica nell’Oceano Pacifico*

L’Europa e il progetto P4SB

Il progetto europeo P4SB (From Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology, Figura 2) ha lo scopo di dare nuovo valore ai rifiuti in plastica mediante l’utilizzo della biologia di sintesi. Per fare questo sfrutta catalizzatori batterici a cellule intere ingegnerizzati, in modo da favorire una bioconversione ecosostenibile dei rifiuti in plastica.

In particolare, il progetto si occupa di individuare e, anche, progettare enzimi in grado di favorire la bio-depolimerizzazione di materiali plastici come il polietilentereftalato (PET, il maggiore costituente delle comuni bottiglie in plastica) e il poliuretano (PU), per ottenere materiali alternativi quali i poliidrossialcanoati (PHA). In questo modo sarà possibile riciclare un quantitativo maggiore di plastica: fino al 50% per il PET e fino al 70% per il PU.

Gli obiettivi del progetto europeo P4SB — *Figura 2 – Il progetto europeo P4SB e i suoi obiettivi*

Il poliuretano

Il poliuretano è un materiale plastico disponibile in diverse forme, che ci accompagna nella vita di tutti i giorni, sia che ci troviamo in casa, che in ufficio, che nelle automobili e/o in tantissimi altri luoghi da noi frequentati quotidianamente. Può essere sia rigido che flessibile e, per questo, è utilizzato in numerose applicazioni, soprattutto come materiale isolante.

Per questo motivo, nel 2015, si stimava fosse il quinto polimero sintetico più richiesto in Europa, con una quantità di circa 3,5 milioni di tonnellate.

Come si ottiene il poliuretano

I precursori comuni per la sintesi del poliuretano (Figura 3) sono i poliisocianati, in particolare 4,4′-metilene difenil diisocianato (MDI) e toluene-2,4-diisocianato (TDI), e una gamma di polioli, generalmente glicole poli-propilenico e poliestere-diolo. A seconda del prodotto finale che si vuole ottenere si aggiungono additivi come catalizzatori, agenti espandenti e elementi ignifughi.

*Figura 3 – Reazione di sintesi del poliuretano a partire da un diisocianato e un diolo*

Questo materiale risulta di difficile degradazione, per la durabilità, la cristallinità e la sua struttura macroscopica. In particolar modo, nel caso dei poliuretani, fino ad ora la biodegradazione riguarda principalmente quelli a base di poliestere e di polietere.

Degradazione dei polimeri sintetici e del poliuretano

La biodegradazione dei polimeri sintetici è, generalmente, un processo costituito da due step:

Attacco alla struttura macromolecolare dei polimeri da parte di enzimi extracellulari di specie microbiche, per ottenere monomeri e oligomeri da utilizzare nel secondo passaggio;
Mineralizzazione di quanto ottenuto dal primo passaggio all’interno della cellula.

Questi passaggi possono essere eseguiti da una singola specie o, come avviene nella maggioranza dei casi, da due specie differenti.

La degradazione – in particolare l’idrolisi – dei poliuretani rilascia 4,4’-diamminodifenilmetano (MDA) e 2,4-diamminotoluene (TDA) (i precursori dei poliisocianati). Si tratta di sostanze che sono state inserite dall’European Chemicals Agency tra le sostanze preoccupanti per cancerogenicità, mutagenicità e tossicità per la riproduzione.

L’agente microbico alla base della degradazione del poliuretano

Nell’ambito del progetto europeo P4SB, la Germania si è occupata di ricercare un agente microbico in grado di degradare il poliuretano. Lo studio è stato condotto a Lipsia presso l’Helmholtz Centre for Environmental Research-UFZ.

I ricercatori hanno prelevato un campione da un sito ricco di rifiuti in plastica, da cui sono stati isolati differenti batteri. Questi sono stati fatti crescere su due differenti tipi di piastre agar: una contenente, oltre al terreno minerale, TDA come fonte di carbonio e l’altra priva di TDA e di altra fonte di carbonio. In questo modo sono stati esclusi dall’analisi tutti quei batteri in grado di crescere anche in assenza di carbonio ed è stato individuato il ceppo di interesse. Si tratta di un ceppo appartenente al genere Pseudomonas, in grado di utilizzare il poliuretano (in particolare il TDA) come unica fonte di carbonio e energia. Per questo motivo questo ceppo è stato definito Pseudomonas sp. TDA1.

Dopo aver individuato il ceppo responsabile della biodegradazione, è stata effettuata un’analisi genomica. In questo modo, i ricercatori hanno identificato dei geni che probabilmente permettono al batterio di metabolizzare alcuni composti chimici della plastica per produrre energia. Questa caratteristica prende il nome di tolleranza ai solventi ed è tipica di batteri estremofili, in grado di sopravvivere anche in presenza di agenti con elevata tossicità.

Sicuramente il prossimo passo sarà riconoscere se effettivamente questi geni siano responsabili della produzione degli enzimi extracellulari in grado di degradare questo materiale plastico. A partire da questo si potrà procedere con l’identificazione di strategie volte a convertire i composti a base di petrolio in composti biodegradabili e ottenere, così, plastiche più rispettose del nostro pianeta.