ホワイト汚染を解決するのは難しいですか？この「生きている」プラスチックを試してみてください！

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

プラスチックの発明は私たちの日常生活に大きな利便性をもたらしました。しかし、プラスチック廃棄物の大量発生と不適切な廃棄により、プラスチック廃棄物（別名「白色汚染」）は、今日最も深刻な環境問題の一つとなっています。

ホワイト汚染問題の解決が難しい主な理由は、石油由来のプラスチックが自然界で分解されるまでに数百年かかり、土壌や環境の汚染を引き起こすためです。白色汚染を根本から解決するためには、石油由来のプラスチックの代わりに、生分解性プラスチック（ポリ乳酸PLAなど）を使用する必要があります。

分解性プラスチックの分解を早めるために、中国の科学者たちは「生きた」プラスチックを発明した。彼らは微生物の遺伝子を編集し、極限の環境に耐え、特定の条件下でプラスチックを分解する酵素を分泌できる胞子を生成した。その後、胞子はプラスチック加工法によってプラスチックマトリックスに埋め込まれます。

日常使用環境では胞子は休眠状態のままであり、プラスチックは安定した性能を維持します。特定の条件（表面侵食、堆肥化）下でのみ、プラスチック内の胞子が活性化され、分解プロセスが開始され、プラスチックが完全に分解されます。

胞子工学による生分解性「生きた」プラスチックのプログラミング

（画像出典：参考1）

分解されないプラスチック

プラスチックは合成ポリマー素材であり、その歴史は 19 世紀末にまで遡ります。 20 世紀半ばには石油化学産業の発展によりプラスチックの生産コストが大幅に削減され、プラスチックの応用範囲がさらに拡大し、現代社会に欠かせないものとなりました。プラスチックの広範な使用は多くの環境問題も引き起こしています。至る所で見られる白い汚染は、地球と人類の生存と発展を深刻に脅かしています。

プラスチックはなぜ分解するのが難しいのでしょうか?プラスチックはここ100年ほどで登場した高分子ポリマーなので、100年は人間にとっては短い時間ではないかもしれませんが、自然にとってはほんの一瞬です。このような短い期間では、自然界にはこれらの「新しいもの」を素早く分解できる微生物はまだ進化していない。

統計によると、ポリプロピレン（PP）、高密度ポリエチレン（HDPE）、ポリスチレン（PS）、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリエチレンテレフタレート（PET）などの従来の石油由来のプラスチックは、分解するのに100年以上かかります。

さまざまなプラスチックが分解されるまでにどれくらいの時間がかかりますか?

（画像出典：参考資料2）

分解性プラスチック

白色汚染が深刻化するにつれ、人類は問題の緊急性を認識し、石油由来のプラスチックの代替品を探し始めました。私の国では、「プラスチック制限命令」から「プラスチック禁止命令」まで、分解できないプラスチックの使用を制限する多くの政策も導入されています。このような背景から、生分解性プラスチックはますます注目を集めています。石油由来のプラスチックは分解するのに数百年かかり、基本的には人間にとって「非分解性プラスチック」と定義できます。

自然界にはこれらのポリマーを急速に分解できる微生物や酵素が存在するため、「分解性プラスチック」と呼ばれる生物由来のポリマーのクラスがあります。ポリ乳酸（PLA）、ポリブチレンアジペート/テレフタレート（PBAT）、ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）、ポリブチレンサクシネート（PBS）、ポリカーボネート（PCL）などは、1年未満で自然に分解されるため、「分解性プラスチック」と呼ばれています。

現在、石油由来のプラスチックに代わる分解性プラスチックの使用は、国内外で開発トレンドとなっています。例えば、スーパーマーケットでは分解可能なプラスチック製の袋を有料で提供し、外食産業では分解可能なプラスチック製のストローを提供し、病院では手術の際に分解可能な手術用縫合糸（抜糸の必要がない）を使用しています。

分解可能なプラスチック袋

（写真提供：veerフォトギャラリー）

生分解性プラスチックの分解速度の向上

生分解性プラスチックの分解速度を高めるためには、分解酵素の数を増やすことが鍵となります。分解酵素をプラスチックに注入し、プラスチックを廃棄する際に自動的に放出させることができれば、プラスチックは酵素によって分解され、分解速度を高めることができます。しかし、通常の使用中には分解せず、廃棄されるときにのみ分解が始まるように、分解酵素をプラスチック内に保管するにはどうすればよいでしょうか?研究者たちは、細菌の特殊な構造である胞子について考えました。

数十億年にわたる自然の進化の中で、多くの微生物は厳しい環境条件に対する耐性を発達させてきました。極端な環境が到来し、生存と繁殖に適さなくなると、細菌は胞子に変化します。この変化により、細菌は極めて強力な耐性を獲得することができます。胞子は、プラスチック加工環境に存在する極端な乾燥、温度、圧力に耐えることができます。

そこで、中国科学院深圳先端技術研究所の戴卓軍氏のチームは、合成生物学の手法で枯草菌を改変し、プラスチック分解酵素（ホルダーレラ・セパシア・リパーゼ、リパーゼBC）を制御可能に分泌する遺伝子回路を枯草菌に導入し、二価マンガンイオンの環境で枯草菌を「冬眠」させて胞子の形を形成させることを提案した。

生成された胞子も編集された遺伝子回路を持ち、細菌に比べて高温、高圧、有機溶剤、乾燥に対する耐性が強い。高温溶融押し出し法または有機溶媒法によって、遺伝子組み換え胞子溶液をポリカーボネート（PCL）プラスチックマスターバッチと直接混合することにより、一連の胞子含有プラスチックを製造した。

さまざまな物理的特性試験において、降伏強度、応力限界、最大変形、融点などのパラメータにおいて、「リビング」プラスチックと通常の PCL プラスチックの間に大きな差はありませんでした。日常使用環境では胞子は休眠状態のままであり、プラスチックは安定した性能を維持します。他の外因性物質を添加しない場合、土壌環境中の「生きた」プラスチックは 25 ～ 30 日以内に完全に分解されますが、従来の分解性 PCL プラスチックは肉眼では見えないレベルまで分解されるまでに約 55 日かかります。

システムの普遍性を検証するために、研究者らは他のプラスチックシステムの試行を続け、胞子をPBS、PBAT、PLA、PHA、PETなどのポリマー材料と混合して、対応する「生きた」プラスチックを調製しました。

土壌中の「生きた」プラスチックの分解プロセス

a. 「生きた」プラスチックは土壌中で30日以内に完全に分解されます。 b.通常のPCLプラスチックは土壌中で55日で完全に分解される。

（画像出典：参考1）

研究者らはまた、この「生きた」プラスチックを一般的な炭酸飲料の環境に2か月間浸した。外部からの影響を受けずに、「生きている」プラスチックは安定した形状を維持できたことから、生きているプラ​​スチックは従来のプラスチックと同じように使用でき、破壊または廃棄された場合にのみ分解プロセスが開始されることがわかります。この研究は、新しい生分解性プラスチックの開発に新たな視点と方法を提供し、現在深刻化しているプラ​​スチック汚染問題の解決に貢献することが期待されます。

結論

「生きた」プラスチックの発明は、白色汚染という世界的な問題を解決するための新しいアイデアと解決策をもたらします。科学者たちはバイオエンジニアリング技術を通じて、微生物の自然な進化上の利点と現代の材料科学をうまく組み合わせ、特定の条件下で自律的に分解できるプラスチックを作り出すことに成功しました。この革新的な成果は、持続可能な開発の可能性を理論上実証するだけでなく、実際にプラスチック廃棄物の環境への影響を削減するための具体的な希望をもたらします。

しかし、「リビング」プラスチックの推進と応用には、生産コスト、技術の成熟度、大規模応用の社会的受容など、依然として多くの課題を克服する必要があります。科学技術の進歩と政策指導の二重の推進があって初めて、この新素材は真に市場に参入し、白色汚染と戦う強力なツールとなることができるのです。

今後、このような技術革新がさらに進み、プラスチック汚染を根源から削減し、人間と自然の調和のとれた共存が実現することを期待しています。地球環境の保護に貢献できるよう、一緒に取り組んでいきましょう。

参考文献:

1.Tang et al.人工胞子によってプログラムされた分解可能な生きたプラスチック。ネイチャーケミカルバイオロジー。 2024、206、20。

2.Choi et al.微生物を利用したプラスチックの持続可能な生産と分解。ネイチャー微生物学。 2023年、8、2253-2276。

3.Geyerらこれまでに製造されたすべてのプラスチックの生産、使用、運命。科学の進歩。 2017年3月号 e1700782.