Bioplastiki można w prosty i przyjazny dla środowiska sposób przetworzyć chemicznie na bogate w azot nawozy. Odkrycia te otwierają drogę do zrównoważonych systemów obiegowych, które jednocześnie rozwiązują problemy takie jak zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi, wyczerpywanie się zasobów petrochemicznych i głód na świecie.

W ciągu ostatniego stulecia tworzywa sztuczne szturmem zdobyły świat, znajdując zastosowanie w praktycznie każdym aspekcie życia. Jednak powstanie tych syntetycznych polimerów, które stanowią podstawę tworzyw sztucznych, przyczyniło się do powstania wielu poważnych problemów środowiskowych. Najgorszym z nich jest nadmierne wykorzystywanie związków petrochemicznych oraz wyrzucanie materiałów nieulegających biodegradacji bez poddawania ich recyklingowi. Tylko 14 proc. wszystkich odpadów z tworzyw sztucznych jest poddawanych recyklingowi, co stanowi rozwiązanie niewielkiej części problemu.

Wiele mało wykorzystanych możliwości

Aby rozwiązać problem tworzyw sztucznych, trzeba opracować systemy "okrężne", w których materiały źródłowe wykorzystywane do produkcji tworzyw sztucznych po usunięciu i recyklingu wracają do obiegu. W Tokijskim Instytucie Technologii zespół naukowców pod kierownictwem docenta Daisuke Aoki i profesora Hideyuki Otsuki stał się pionierem w tej dziedzinie. W ich nowym, przyjaznym dla środowiska procesie, tworzywa sztuczne produkowane przy użyciu biomasy (bioplastiki) są chemicznie przetwarzane w pętli  w nawozy. Badania te zostaną opublikowane w Green Chemistry, czasopiśmie Royal Society of Chemistry skupiającym się na innowacyjnych badaniach nad zrównoważonymi i przyjaznymi dla środowiska technologiami.

Zespół skupił się na poli(węglanie izosorbidu), czyli "PIC", rodzaju biopochodnego poliwęglanu, który zyskał wiele uwagi jako alternatywa dla poliwęglanów ropopochodnych. PIC jest produkowany przy użyciu nietoksycznego materiału pochodzącego z glukozy, zwanego izosorbidem (ISB), jako monomeru. Interesujące jest to, że połączenia węglanowe, które łączą jednostki ISB, mogą zostać przerwane przy użyciu amoniaku (NH3) w procesie znanym jako "amonoliza". W wyniku tego procesu powstaje mocznik, bogata w azot cząsteczka, która jest szeroko stosowana jako nawóz. Chociaż ta reakcja chemiczna nie była tajemnicą, niewiele prac dotyczących degradacji polimerów koncentrowało się na potencjalnych zastosowaniach wszystkich produktów degradacji, a nie tylko monomerów.

Zielony, ekspresowy proces

Po pierwsze, naukowcy sprawdzili, jak dobrze można przeprowadzić całkowitą amonolizę PIC w wodzie w łagodnych warunkach (30°C i ciśnienie atmosferyczne). Uzasadnieniem tej decyzji była chęć uniknięcia stosowania rozpuszczalników organicznych i nadmiernych ilości energii. Zespół dokładnie przeanalizował wszystkie produkty reakcji za pomocą różnych metod, w tym spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego, spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera oraz chromatografii żelowej.

Chociaż udało im się w ten sposób wyprodukować mocznik, degradacja PIC nie była całkowita nawet po 24 godzinach, a wiele pochodnych ISB było nadal obecnych. Dlatego badacze spróbowali podnieść temperaturę i odkryli, że całkowitą degradację można osiągnąć w ciągu około sześciu godzin w temperaturze 90°C!

– Reakcja zachodzi bez użycia katalizatora, co pokazuje, że amonoliza PIC może być łatwo przeprowadzona przy użyciu wodnego amoniaku i ogrzewania. Tak więc procedura ta jest operacyjnie prosta i przyjazna dla środowiska z punktu widzenia recyklingu chemicznego – podkreśla zalety tej metody Dr Aoki.

Butelka zamieni się w nawóz

Wreszcie, jako dowód koncepcji, że wszystkie produkty degradacji PIC mogą być bezpośrednio wykorzystane jako nawóz, zespół przeprowadził eksperymenty wzrostu roślin z Arabidopsis thaliana – organizmem modelowym. Stwierdzono, że rośliny traktowane wszystkimi produktami degradacji PIC rosły lepiej niż rośliny traktowane tylko mocznikiem.

Ogólne wyniki tego badania pokazują, że możliwe jest opracowanie systemów nawozów z tworzyw sztucznych. Systemy te mogą nie tylko pomóc w walce z zanieczyszczeniami i wyczerpywaniem się zasobów, ale także przyczynić się do zaspokojenia rosnącego światowego zapotrzebowania na żywność.

– Jesteśmy przekonani, że nasza praca stanowi kamień milowy w kierunku opracowania zrównoważonych i nadających się do recyklingu materiałów polimerowych w najbliższej przyszłości. Era "chleba z tworzyw sztucznych" jest tuż za rogiem – podsumowuje badacz.