Натуральный биопластик, созданный одиночными пчелами, прочен, но разлагается за считанные месяцы, а не века

Существует пчела, которая строит свое гнездо, используя нечто похожее на природную пластмассу. Она производит её сама, применяет её для защиты личинок, живущих под землёй, и через несколько месяцев этот материал начинает распадаться. Эта способность — то, чего пластмассовая индустри́я пытается достичь годами, особенно в поиске замен полиэтилена, одному из самых используемых и стойких материалов в окружающей среде.

Её изучали исследователи из Virginia Tech и Университета Теннесси, которые обнаружили, что полиэстер, продуцируемый Colletes inaequalis, североамериканской одиночной пчелой, обладает свойствами, близкими к полиэтилену, но разлагается гораздо быстрее в почве. По данным исследования, опубликованного в PNAS, всего за четыре месяца доля полиэстера в покрытии гнезд снизилась с 73% до 40%. Всё это происходило без заводских компостных установок, без высоких температур или каких-либо особых обработок. Достаточно той почвы, в которой эти пчелы обычно живут.

Пчелы, строящие гнезда, покрытые природной пластмассой

Colletes inaequalis также называют «пчелой целлофаном», что довольно точно отражает её образ жизни. В отличие от медоносных пчёл, она живёт поодиночке и выкапывает небольшие подземные гнёзда, где откладывает яйца и готовит камеры для личинок. Чтобы защитить их от влаги и микроорганизмов в грунте, она облицовывает стены тонким, прочным и водонепроницаемым слоем. Это своего рода защитная упаковка, созданная самой пчелой.

Материал представляет собой природный полиэстер, химически отличный от обычного полиэтилена, но обладающий рядом схожих характеристик. Он водостойкий, имеет кристаллическую структуру, сопоставимую с таковой у обычных пластиков, и сохраняет значительную стабильность во время того, как гнездо защищается. Удивление наступает, когда этот облицовочный слой начинает разрушаться.

Джонатан Коут (Jonathan Coote), доцент кафедры устойчивых биоматериалов Virginia Tech и первый автор исследования, пояснил, что материал демонстрирует характеристики, обычно присущие пластикам, крайне устойчивым к разложению. И всё же в почве он ведёт себя иначе.

За четыре месяца полиэстер переходит с 73% до 40%

Чтобы понять, как работает этот необычный природный пластик, учёные собрали покрытия гнёзд в двух местах штата Теннесси, анализируя как недавно созданные материалы, так и те, что пролежали под землёй до одиннадцати месяцев. В более новых гнёздах полиэстер составлял примерно 73% веса покрытия. По истечении четырёх месяцев доля снизилась до 40%.

Эти данные относятся к составу покрытия, которое помимо полиэстера содержит также шёлк, и свидетельствуют о значительной деградации полиэстера уже на ранних стадиях. Материал начинает разрушаться без условий, которые требуются у многих коммерческих биоразлагаемых пластиков.

Для исследователей такой результат особенно интересен, потому что полиэстер пчёл имеет кристалличность около 60%. Обычно такая структура делает пластмассы более трудными для разложения. Однако эта уникальная комбинация прочности и биодеградации, похоже, работает.

Ученые предполагают, что за процессом могут стоять некоторые ферменты, способные разрывать химические связи полиэстера. Также организация молекул может способствовать тому, чтобы эти связи стали более доступными для воздействия воды и микроорганизмов. Точный механизм пока остаётся предметом дальнейших исследований, но полученный результат уже предлагает интересное направление для дальнейших изысканий.

Из гнезд пчёл — к упаковкам будущего

Ежегодно по всему миру производится около 160 миллионов тонн полиэтилена, согласно оценкам исследователей. Мы встречаем его в пакетах, в упаковке пищевых продуктов, в контейнерах и во множестве других повседневных предметов. Он лёгок, недорог, прочен и водонепроницаем; все эти свойства высоко ценятся индустрией, но вместе с тем они способствуют тому, что он остаётся чрезвычайно устойчивым, когда попадает в окружающую среду.

Даже после фрагментации он может существовать в виде микропластика. Уже долгое время учёные ищут материалы, способные обеспечить аналогичные показатели, но с меньшей экологической продолжительностью. Множество биопластиковых альтернатив требуют специфических условий компостирования или разлагаются очень медленно в почве.

Полиэстер, производимый Colletes inaequalis, может помочь преодолеть часть этих проблем. Как поясняет Virginia Tech, цель состоит в понимании тех особенностей его структуры, которые позволяют материалу быть прочным в эксплуатации и биоразлагаемым после выполнения своей функции. Как только будет выявлен механизм, исследователи хотят воспроизвести его искусственно, проектируя новые полимеры, пригодные для промышленного масштаба.

Идея возникла благодаря довольно любопытному сотрудничеству. Коут занимается химией пластмасс, а Лаура Руссо, эколог из Университета Теннесси, изучает пчёл. Именно Руссо рассказала коллеге о существовании этих насекомых, способных производить материал, похожий на полиэтилен. Из этого разговора началось исследование, к которому позже привлеклись учёные и из Университета Миннесоты, и после многих лет работы было выполнено очертание полиэстера, природного для пчёл.

Естественно, цель не в разведении миллионов насекомых для производства пакетов и контейнеров. Сам Коут исключил такую возможность, объяснив, что индустрия должна научиться воспроизводить этот процесс, не полагаясь на производство самим пчёлами. Пока учёные выявили один природный материал с многообещающими свойствами. Следующим шагом будет понять, как добиться схожих характеристик в пластике, который производится искусственно, сохранив его биоразлагаемость.

Пчёлы, со своей стороны, уже решили задачу, ради которой используют этот материал: строить надёжную защиту для личинок, которая должна деградировать в почве после выполнения своей функции. И они делают это без лабораторий, патентов или промышленных предприятий. И все это — задолго до того, как кто-то решил изучать их.