✅ Odpověď oceánů na plastové znečištění: Alexander Golberg hovoří o řasových řešeních

Přepis rozhovoru

ML (Michael Londesborough): Alexi, povězte mi o bioplastech a unikátním způsobu, kterým vy je vyrábíte.

AG (Alexander Golberg): Bioplasty jsou směsí polymerů. Dnes se většina z nich získává ze syntetických zdrojů. Existují třídy různých bioplastů s odlišnými vlastnostmi. Představa je taková, že všechny by se měly vyrábět z obnovitelných zdrojů, třeba z biomasy.

My zkoumáme ideální zdroje biomasy k následnému vytvoření těchto polymerů, abychom se při výrobě vyhnuli použití orné půdy a pitné vody. Zjistili jsme, že biomasu dokážeme vyrábět z chaluh.

Trvalo nám poměrně dlouho identifikovat organismy, které jsou schopné pojídat chaluhy, až jsme nakonec objevili ten správný typ polymerů v podobě polyhydroxyalkanoátů, nebo PHA.

ML: Takže jedním z největších přínosů je, že nezatěžujeme půdu a nespotřebováváme vodu, které pak můžeme použít k výrobě potravin.

AG: Přesně tak. Tato debata probíhá od té doby, kdy na trh začala pronikat první biopaliva. Biopaliva také začala u nápadu, že by se k výrobě paliva mohla místo ropy použít biomasa. Když jsme ale začali biopaliva vyrábět v průmyslovém měřítku, vedlo to k bezprostřednímu zvýšení cen potravin a nepokojům kvůli nedostatku potravin. To vyvolalo celosvětovou debatu o tom, jak nejlépe vyrábět biopaliva. Měli bychom půdu, kterou nyní používáme k pěstování potravin, využívat k výrobě paliv? U bioplastů musíme odpovědět na stejnou otázku. Jsme ochotni obětovat půdu k výrobě polymerních materiálů?

ML: Nakonec vždy skončíme u nákladů – použije se to, co je nejlevnější. Jak si v tomto ohledu stojí výroba z chaluh?

AG: Náklady nejsou jen o tom, co je nejlevnější, ale také o tom, co je udržitelnější. Země nakonec zaplatí za všechno. Domnívám se, že už dnes mohou chaluhy konkurovat jiným biologickým zdrojům.

ML: Řekněte mi něco víc o mikroorganismech, které se podílejí na přeměně této biomasy na biopolymery. 

AG: Nejprve jsme chtěli používat bakterie. Potom jsme ale změnili názor a dnes používáme specifický typ mikroorganismu, který se nazývá archea. Archea se svou strukturou liší od běžných bakterií, jedná se o halofilní organismy, což znamená, že dokážou přežít i v extrémně slaných prostředích, jako je Mrtvé moře.

Mikroorganismy typu archea, které používáme, dokážou přežívat v prostředích s až 170 gramy soli na jeden litr. Mohou se živit mnoha typy potravin, nejen cukrem, ale také polymery, kopolymery, oligosacharidy, lipidy a tak dál. Pojídání všech těchto potravin podporuje jejich růst a zároveň i produkci PHA. V tomto případě pak zužitkovatelné PHA odpovídají asi 60–70 procentům biomasy.

ML: Jedná se o jeden polymer?

AG: PHA jsou polyhydroxyalkanoáty, tedy směsi polymerů. Mezi hlavní, které produkujeme, patří PHB, polyhydroxybutyráty, ale vždy je to směs různých látek.

ML: Jak energeticky intenzivní je izolování této směsi od zbytku?

AG: Dnes je to stále poněkud komplikovaná věc. Pracujeme s organismy mikroskopické velikosti, které potřebujeme izolovat z vody nebo jiného média, ve kterém vyrůstají. Dále potřebujeme izolovat PHA zevnitř, takže je to skutečně náročný úkol. Zkoumáme celou řadu metod, abychom mohli určit nejlepší způsob, jak tento úkol vyřešit.

ML:  Jsou vyráběné polymery termoplastické? Můžeme je zahřívat, tavit a vytvářet z nich další typy materiálů?

AG: Materiály, o kterých se bavíme, jsou polyestery. Vlastnosti se v konečném důsledku odvíjejí od délky jejich řetězce a přesného složení. Dnes se má za to, že PHA jsou kompozitní plasty odolné proti vysoké teplotě, což znamená, že časem je budeme muset extrahovat, vyčistit, roztřídit podle velikosti a potom z nich vyrobit kompozitní materiály. Vyznačují se jak mechanickou, tak teplotní stabilitou.

ML: Co všechno víme o způsobu rozkládání bioplastů, které vyrábíte, a o jejich vlivu na životní prostředí?

AG: PHA jsou zajímavé materiály, které získáváme z mořských organismů. Máme již informace, že v mořském prostředí by se mohly rozkládat rychleji než jiné materiály. Z dostupné literatury víme, že v mořském prostředí se do 400 dnů rozloží zhruba deset až dvanáct procent těchto polymerů. V porovnání s rozkladem jiných materiálů v tomto specifickém prostředí je to velmi dobrá rychlost. 

ML: Existují nějaké důkazy o jejich hromadění v organismech žijících ve vodě? Anebo je příliš brzy na to, abychom mohli definitivně říct, kde tyto materiály končí?

AG: Jejich celý životní cyklus zatím nebyl dokonale prozkoumán. Víme, že řádově se rozkládají rychleji než běžné plasty vyráběné z ropy, jimž trvá rozložení stovky let. Je ale zatím předčasné přesně říkat, co se s nimi stane v mořském prostředí, jestliže je začneme vyrábět ve stejném objemu, v jakém dnes vyrábíme konvenční plasty.

ML: Bavíme se o výrobě polymerních molekul živými mikroorganismy. Součástí takového procesu výroby jsou enzymy s konkrétními úkoly, které jsou odpovědné za chemické úpravy a změny. Mohli bychom potenciálně studovat genetický kód těchto organismů a upravit ho tak, aby tyto organismy dokázaly vyrábět to, co chceme?

AG: Je to jedna z možností, ale není to cesta, kterou se aktuálně vydáváme. Ještě nevíme dost o rozmanité povaze těchto organismů, abychom si mohli dovolit používat takto pokročilé nástroje. V této fázi hledáme nové organismy s novými polymery, novými enzymy, které vyprodukují ten druh vlastností, o který stojíme. Syntetická biologie používá nástroje, které umožňují manipulovat s konkrétními enzymatickými cestami, takže pravděpodobně to v budoucnosti čeká i nás, ale nejdřív musíme opravdu rozumět, s čím máme tu čest. Pravděpodobně k tomu dospějeme přirozeným způsobem, kdy určitý mikroorganismus bude vyrábět polymery, které potřebujeme, abychom mohli nahradit celou řadu polymerů aktuálně využívaných v syntetických plastech. 

ML: To znamená, že musíme monitorovat celou populaci těchto organismů, sledovat, jaké polymery vytvářejí, zkoušet izolovat konkrétní kmen a potom se zaměřit na kultivaci takového kmene, abychom mohli získat polymer se žádoucími vlastnostmi.

AG: Přesně tak. Tento proces se velmi podobá procesu, který už dnes aplikujeme u běžných polymerů používaných v plastech. Například takový polypropylen není žádný jednotlivý polymer, ale soubor mnoha polymerů s konkrétními čísly a konkrétními vlastnostmi, z kterého pak vybíráme ty vhodné pro použití v kompozitních materiálech. Přesně takové soubory musíme vytvořit i z mořských organismů a kombinovat různé polymery s odlišnými vlastnostmi.

ML:  Zajímalo by mě, jaké jsou rozdíly mezi vlastnostmi syntetických polymerů a biopolymerů vyrobených z chaluh.

AG: V tuto chvíli se soustředíme především na analýzu teplotních a mechanických vlastností. Můžeme předpokládat, že bude potřeba vyrábět směsi, abychom získali vlastnosti podobné vlastnostem syntetických polymerů. Nepracujeme pouze s PHA, ale také s různými sloučeninami PHA a PLA, například s polymléčnou kyselinou, abychom dosáhli určité flexibility. V případě mimořádně robustních materiálů používáme méně PLA; u menších materiálů budeme pravděpodobně potřebovat více PLA. To jsou cesty, které aktuálně zkoumáme.

ML: Takže vy říkáte, že pokud dosáhnete správných poměrů v těchto sloučeninách, budete schopni snadno reprodukovat důležité vlastnosti, kterých umíme dosáhnout u syntetických polymerů?

AG: Přesně toho se snažíme dosáhnout. Naším cílem je vytvořit soubor biologických polymerů, z kterých pak budeme schopni vytvořit různé směsi, které nahradí dnešní plastové polymery.

ML: Jedním z problémů v souvislosti s bioplasty, o kterém vím, je jejich průchodnost pro plyny a kapaliny, která by mohla zamezit jejich rozšířenému použití, například v oblasti potravinových obalů a zdravotnictví. Je to skutečně tak?

AG: Domnívám se, že je předčasné hovořit o takových závěrech. Výzkum bioplastů je stále ve své počáteční fázi. Když této oblasti budeme věnovat více času a úsilí, nepochybuji o tom, že polymery všechny tyto překážky překonají. Jednou z předností použití bakterií typu archea je to, že neobsahují endotoxiny. Když vytvoříte stejný polymer v bakteriích, musíte je potom zbavit endotoxinů, takže jejich použití ve zdravotnictví je problematické. Protože bakterie archea přirozeně neobsahují žádné endotoxiny, tento problém odpadá. Jde o ukázkový příklad toho, jak výběrem odlišného organismu můžete získat stejný polymer bez komplikování procesu.  

ML: Sdílíte s námi optimistický scénář budoucnosti těchto materiálů. Nakonec se ale stejně musíme bavit o množství a kapacitách. Budeme schopni vyrábět tyto plasty ve velkém při nízkých nákladech?

AG: Podívejme se například na polymléčnou kyselinu. Polymléčná kyselina je synteticky vyráběný polymer, nicméně na začátku celého procesu je fermentace, takže má biologický původ. Tento polymer se již podílí na celosvětové výrobě plastů jedním procentem, což je na materiál biologického původu opravdu hodně. Pokud uvážíme aktuální vývoj, který probíhá v této oblasti a který umožní nízkonákladovou výrobu takových polymerů, tak si myslím, že v budoucnosti budeme schopni dosáhnout sériové výroby.

ML: Co je budoucnost?

AG: Budoucnost je o načasování. Trvalo nám zhruba sto let, než jsme současné plastové materiály dostali tam, kde jsou dnes. Nemůžeme si dovolit vyvíjet biologicky rozložitelné plasty biologického původu dalších sto let. Vývoj musíme zkrátit na pět nebo deset let. Zhruba v horizontu deseti let potřebujeme nahradit většinu výroby plastů výrobou materiálů biologického původu a biologicky rozložitelných materiálů. To je úkol, před kterým stojíme.

ML: Kdo bude nositelem tohoto vývoje? Společnosti, které se aktuálně zabývají výrobou polymerů? Nebo to snad budou spotřebitelé? Nebo legislativa, kterou stát připraví?

AG: Je potřeba, aby na tomto úkolu spolupracovali spotřebitelé, zákonodárci i velké společnosti. Nemůžeme ho dosáhnout, pokud všechny tyto tři prvky spolu nebudou spolupracovat. Řada produktů zaměřených na zlepšení životního prostředí nám ukazuje, že bez správné legislativy je téměř nemožné proniknout na trh. Zákonodárci a velké společnosti jsou ovlivňováni spotřebiteli. Jestliže většina lidí řekne, že tyto materiály chce, posune se legislativa velmi rychle dopředu. Společnosti budou následovat, protože chtějí prodávat své výrobky, a jsou to lidé, kteří rozhodují o tom, co se bude prodávat.

ML: Dr. Goldbergu, děkuji vám za váš čas. Přeji vám mnoho úspěchů ve vašem výzkumu a ve vašem úsilí o zásadní inovace ve světě bioplastů.