Caratterizzazione della nanocellulosa batterica coltivata su monomeri del polietilentereftalato (PET) tramite spettroscopia Raman e a trasformata di Fourier nell’infrarosso

Trasformare i rifiuti plastici in fibre utili

Le bottiglie di plastica e i contenitori per alimenti in PET sono ovunque, e frammenti microscopici di questa plastica si trovano ormai in oceani, terreni e persino nei nostri corpi. Questo studio esplora un modo creativo per affrontare il problema: usare batteri per convertire i blocchi costitutivi del PET in fibre di cellulosa ultra-sottili e biodegradabili. Queste fibre, chiamate nanocellulosa batterica, possono formare membrane resistenti e flessibili che un giorno potrebbero sostituire alcuni prodotti plastici nel packaging, in medicina e in altri usi quotidiani.

Dalle piante a piccole fabbriche batteriche

La cellulosa è il principale materiale strutturale delle piante ed è già impiegata in carta, tessuti e molti prodotti industriali. Ma la sua raccolta dipende tipicamente dall’abbattimento di alberi o dalla coltivazione di vaste monocolture. Alcuni batteri, incluso il ceppo Komagataeibacter sucrofermentans, possono invece sintetizzare cellulosa direttamente dagli zuccheri durante la fermentazione, costruendo una rete di nanofibre più sottili di cento nanometri. Questa nanocellulosa batterica presenta caratteristiche interessanti: è pura (priva di gomme vegetali e lignina), assorbe bene l’acqua e può essere modellata in membrane lisce adatte al confezionamento alimentare o alle medicazioni per ferite.

Nutrire i batteri con i mattoni della plastica

I ricercatori si sono chiesti se questi batteri potessero usare i monomeri del PET—glicole etilenico (EG) e tereftalato disodico (TPA)—invece di affidarsi soltanto al normale zucchero (glucosio). Hanno coltivato K. sucrofermentans in tre liquidi identici tra loro tranne che per la fonte di carbonio: uno con glucosio, uno con EG e uno con TPA. Dopo tre settimane hanno raccolto e asciugato le pellicole di cellulosa galleggianti in superficie e le hanno pesate. Sorprendentemente, la resa maggiore è stata ottenuta con l’EG, che ha prodotto più nanocellulosa per litro rispetto al glucosio, mentre il TPA ha dato una resa inferiore. Questo dimostra che almeno una parte del carbonio nei monomeri del PET può essere reindirizzata in un materiale utile e biodegradabile.

Aspetto delle fibre e grado di ordine

Per capire che tipo di materiale si fosse formato, il team ha osservato le membrane al microscopio elettronico a scansione. I batteri nutriti con glucosio hanno prodotto un tappeto denso e uniforme di fibre sottili con pori regolari—segno di crescita ben organizzata. EG e TPA hanno portato a reti più rade e irregolari, con il TPA che ha generato la struttura più aperta e disomogenea, più simile a un composito che a un film puro e uniforme. Misurazioni di diffrazione a raggi X hanno confermato questa impressione visiva: le fibre di cellulosa dal glucosio mostravano elevata cristallinità (impacchettamento stretto) tipica di una cellulosa forte e ordinata, mentre le fibre derivate da EG erano meno ordinate e quelle da TPA risultavano molto più disordinate.

Ascoltare le molecole con la luce

Gli scienziati hanno poi utilizzato due tecniche basate sulla luce—spettroscopia Raman e infrarossa—to “ascoltare” le vibrazioni delle molecole all’interno delle membrane. Questi metodi funzionano come impronte digitali, rivelando quali legami sono presenti e quanto ordinatamente sono disposte le catene. Tutti e tre i campioni hanno mostrato i segnali caratteristici della cellulosa, dimostrando che i batteri hanno effettivamente costruito il polimero atteso da ciascuna sorgente di carbonio. Ma sono emerse differenze importanti: i campioni da EG e TPA mostravano firme più intense di regioni disordinate e amorfe, mentre la nanocellulosa a base di glucosio presentava segnali più chiari di zone cristalline ordinate. Nel materiale alimentato con TPA, bande spettrali aggiuntive corrispondevano a gruppi tereftalato, il che indica che alcuni frammenti correlati al PET sono rimasti intrappolati nella membrana e non sono stati completamente convertiti.

Cosa significa per materiali più puliti

In termini pratici, lo studio mostra che alcuni batteri possono metabolizzare parti dei residui molecolari del PET e riformarli in fogli di cellulosa, sebbene la qualità di questi fogli dipenda fortemente dalla materia prima. Il glucosio continua a dare le fibre più pulite e ordinate, ma l’EG in particolare può aumentare la quantità di materiale prodotto, e il TPA può essere trasformato almeno parzialmente pur rimanendo incorporato in un film ricco di cellulosa. L’approccio non annulla ancora completamente il PET—alcuni frammenti di tipo plastico permangono e dovrebbero essere rimossi—ma rappresenta una strada promettente verso il “bio-upcycling”, in cui la plastica persistente viene convertita in materiali più benigni. Con ulteriori ottimizzazioni del processo e passaggi di purificazione, la nanocellulosa batterica coltivata su monomeri di PET potrebbe entrare a far parte di un sistema circolare che gestisce i rifiuti plastici e fornisce membrane sostenibili e ad alte prestazioni.

Citazione: Eriksson, R., Mariam, I., Ramser, K. et al. Characterization of bacterial nanocellulose cultivated on polyethylene terephthalate (PET) monomers via raman and fourier transform infrared spectroscopy. Sci Rep 16, 13133 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46886-z

Parole chiave: nanocellulosa batterica, upcycling del PET, inquinamento da plastica, materiali biodegradabili, analisi Raman e FTIR