Французские химики модифицировали природный фермент так, что он смог расщеплять на мономеры 90% полиэтилентерефталата (ПЭТ) одного из наиболее распространенных видов пластика. Ученые взяли за основу кутиназу из листьев растений и повысили эффективность и стабильность этого фермента с помощью генной инженерии. Гидролиз ПЭТ занимает у модифицированного фермента всего 10 часов, а получаемая терефталевая кислота может быть очищена и использована для получения нового полиэтилентерефталата. Такой вторичный пластик по механическим свойствам не уступает пластику, синтезированному «с нуля» (из нефтепродуктов), а стоит значительно дешевле.
Пластиками или пластмассами называют материалы на основе высокомолекулярных соединений (полимеров). Оправдывая свое название, такие материалы очень пластичны: под действием нагревания и давления они могут принимать заданную форму, которая сохраняется после охлаждения или отвердения. Сейчас в мире ежегодно производят более 350 млн тонн пластика (такую же массу имели бы 34 тысячи Эйфелевых башен). При этом около 200 млн тонн очень быстро становятся твердыми бытовыми отходами — речь идет о различного рода упаковке и товарах с коротким временем использования, например одноразовой посуде. Человечество пользуется пластиком уже больше полувека, и к 2018 году образовалось около 6,3 млрд тонн различных пластиковых отходов, из которых только 9% было переработано, а еще 12% — сожжено для получения энергии (см. картинку дня Путь пластика). Если такие тенденции производства и обращения с отходами сохранятся, то уже к 2050 году количество непереработанных пластиковых отходов возрастет до 12 млрд тонн.
В настоящее время пластик в основном перерабатывают термомеханическим способом. Пластиковые изделия сначала сортируют, моют и высушивают, а затем дробят на мелкие кусочки и обрабатывают в термических установках для получения расплава однородной консистенции — рециклата. Всё это требует больших затрат энергии. К тому же механические свойства пластика в процессе термомеханической переработки значительно ухудшаются (K. Ragaert et al., 2017. Mechanical and chemical recycling of solid plastic waste). Поэтому ученые активно ищут другие способы переработки пластиковых материалов — более простые, экологичные и экономически выгодные.
Полиэтилентерефталат (ПЭТ) — один из самых распространенных видов пластика. Ежегодно производится более 70 млн тонн этого материала. Из него изготавливают пластиковые бутылки, контейнеры для еды и жидкостей, а также одежду (на этикетках одежды его можно найти под названием полиэстер). Особенности строения этого полимера могут сделать его переработку значительно проще и выгоднее. Дело в том, что полиэтилентерефталат представляет собой сложный эфир — продукт поликонденсации двуосновной терефталевой кислоты с двуосновным спиртом этиленгликолем. Когда кислотная (–СООН)-группа терефталевой кислоты взаимодействует с (–СH2ОН)-фрагментом этиленгликоля, образуется сложноэфирная мостиковая группа. Так как и кислота, и спирт в данном случае двуосновные, то вторая кислотная группа терефталевой кислоты может соединиться еще с одной молекулой спирта, а тот — с еще одной молекулой кислоты, и так далее. В результате получается длинная цепочка, в которой ароматический фрагмент терефталевой кислоты чередуется с фрагментом этиленгликоля, а между ними располагаются сложноэфирные мостики.
- Если провести обратную реакцию — гидролиз сложного эфира, — то все такие сложноэфирные связи разорвутся, и полимерный эфир превратится в смесь своих мономеров — терефталевой кислоты и этиленгликоля. Можно сказать, что каждый сложноэфирный мостик — это «слабое звено» в полиэтилентерфталатной «цепи». Этим ПЭТ выгодно отличается от чисто углеводородных полимеров — например, полиэтилена и пропилена, у которых вся цепь составлена из одинаковых связей углерод-углерод. Такие связи тоже можно разорвать, но сложно добиться селективности: обычно они рвутся хаотично, в результате при разложении углеводородных полимеров получается смесь «обрывков» цепи разного размера. Чтобы использовать такую смесь для любого химического синтеза (будь то получение полимера или что-то иное), ее сначала нужно подвергнуть долгой и сложной процедуре разделения. Полиэтилентерефталат же можно аккуратно разобрать на одинаковые составные блоки и потом пересобрать заново. В этом заключается химическая переработка полимеров. В отличие от описанной выше термомеханической переработки, химическая переработка не ухудшает механические свойства материалов, и в теории ее можно повторять неограниченное число раз.
