Charakterystyka bakteryjnej nanocelulozy hodowanej na monomerach politereftalanu etylenu (PET) za pomocą spektroskopii Ramana i transformacyjnej spektroskopii w podczerwieni (FTIR)

Przekształcanie odpadów z tworzyw sztucznych w użyteczne włókna

Butelki i opakowania spożywcze z PET są powszechne, a drobne fragmenty tego tworzywa występują już w oceanach, glebie, a nawet w naszych organizmach. W badaniu tym zbadano kreatywny sposób przeciwdziałania temu problemowi: wykorzystanie bakterii do przekształcenia podstawowych bloków PET w ultradrobne, biodegradowalne włókna celulozowe. Te włókna, zwane bakteryjną nanocelulozą, mogą tworzyć wytrzymałe, elastyczne membrany, które w przyszłości mogłyby zastępować niektóre produkty z plastiku w opakowaniach, medycynie i innych codziennych zastosowaniach.

Od roślin do maleńkich bakterii-fabryk

Celuloza jest głównym materiałem konstrukcyjnym roślin i już znajduje zastosowanie w papierze, tekstyliach i wielu produktach przemysłowych. Jej pozyskiwanie zwykle wiąże się jednak z wycinką drzew lub uprawą dużych monokultur. Niektóre bakterie, w tym gatunek Komagataeibacter sucrofermentans, mogą zamiast tego produkować celulozę bezpośrednio ze cukru podczas fermentacji, tworząc sieć nanowłókien cieńszych niż sto nanometrów. Ta bakteryjna nanoceluloza ma atrakcyjne cechy: jest czysta (pozbawiona żywic roślinnych i ligniny), dobrze chłonie wodę i może być formowana w gładkie membrany odpowiednie do opakowań żywności czy opatrunków na rany.

Karmienie bakterii składnikami plastiku

Naukowcy zadali pytanie, czy te bakterie mogą wykorzystać elementy budulcowe PET — glikol etylenowy (EG) i disodowy tereftalan (TPA) — zamiast polegać wyłącznie na konwencjonalnym cukrze (glukozie). Hodowali K. sucrofermentans w trzech cieczach identycznych pod względem składu, z wyjątkiem źródła węgla: jedna zawierała glukozę, druga EG, a trzecia TPA. Po trzech tygodniach zebrali i wysuszyli pelikiule celulozowe pływające na powierzchni i je zważyli. Ku zaskoczeniu, najwyższy plon dało EG, które wyprodukowało więcej nanocelulozy na litr niż glukoza, podczas gdy TPA dało niższy plon. To pokazuje, że przynajmniej część węgla z monomerów PET można skierować do użytecznego, biodegradowalnego materiału.

Jak wyglądają włókna i jak są uporządkowane

Aby sprawdzić, jaki materiał się utworzył, zespół obrazował membrany przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego. Bakterie karmione glukozą wytworzyły gęstą, równą matę drobnych włókien z regularnymi porami — znak dobrze zorganizowanego wzrostu. EG i TPA prowadziły do luźniejszych, bardziej nieregularnych sieci, przy czym TPA dało najbardziej otwartą i nierówną strukturę, bardziej przypominającą kompozyt niż jednolitą folię. Pomiary dyfrakcji rentgenowskiej potwierdziły to wrażenie wizualne: włókna celulozowe z glukozy wykazywały wysoką krystaliczność (gęste upakowanie) zwykle kojarzoną z wytrzymałą, dobrze uporządkowaną celulozą, podczas gdy włókna pochodzące z EG były nieco mniej uporządkowane, a włókna z TPA znacznie bardziej zdezorganizowane.

Słuchając cząsteczek przy pomocy światła

Naukowcy użyli następnie dwóch technik opartych na świetle — spektroskopii Ramana i w podczerwieni — aby "wysłuchać" drgań cząsteczek w membranach. Metody te działają jak odciski palców, ujawniając, jakie wiązania są obecne i jak uporządkowane są łańcuchy. Wszystkie trzy próbki wykazały charakterystyczne sygnały celulozy, co dowodzi, że bakterie zbudowały oczekiwany polimer z każdego źródła węgla. Pojawiły się jednak ważne różnice: próbki z EG i TPA wykazywały silniejsze cechy obszarów nieuporządkowanych, amorficznych, podczas gdy nanoceluloza z glukozy wykazywała wyraźniejsze ślady uporządkowanych stref krystalicznych. W materiale karmionym TPA dodatkowe pasma w widmie odpowiadały grupom tereftalanowym, co oznacza, że pewne fragmenty związane z PET pozostały uwięzione w membranie i nie zostały całkowicie przekształcone.

Co to znaczy dla czystszych materiałów

Mówiąc prostymi słowami, badanie pokazuje, że niektóre bakterie potrafią "zjadać" części cząsteczkowych resztek PET i przerabiać je na arkusze celulozy, choć jakość tych arkuszy zależy silnie od użytego substratu. Glukoza nadal daje najczystsze i najbardziej uporządkowane włókna, ale zwłaszcza EG może zwiększyć ilość wytwarzanego materiału, a TPA można przynajmniej częściowo przekształcić, przy czym staje się on osadzony w filmie bogatym w celulozę. Podejście to nie usuwa PET całkowicie — pewne fragmenty o cechach podobnych do plastiku pozostają i musiałyby zostać usunięte — ale wyznacza obiecującą drogę w kierunku "bio-upcyklingu", w którym trwały plastik przekształca się w materiały bardziej przyjazne. Przy dalszej optymalizacji procesu i etapów oczyszczania bakteryjna nanoceluloza hodowana na monomerach PET mogłaby stać się częścią obiegu zamkniętego, który jednocześnie zarządza odpadami plastikowymi i dostarcza zrównoważone, wysokowydajne membrany.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: bakteryjna nanoceluloza, upcykling PET, zanieczyszczenie plastikiem, materiały biodegradowalne, analiza Raman i FTIR