Бутылки из ПЭТ
Matt Montagne / Flickr
Японские биологи нашли новый штамм бактерий, который способен перерабатывать полиэтилентерефталат (ПЭТ) - один из самых распространенных видов пластика. Со статьей можно ознакомиться в журнале Science , кратко ее изложение приводит Американская ассоциация содействия развитию науки.
Авторы собрали несколько сотен образцов почвы и грязи вблизи завода по переработке бутылок из ПЭТ и проанализировали, какие виды бактерий обитают в таких условиях. Среди образцов биологам удалось выделить штамм бактерий Ideonella sakaiensis 201-F6, который оказался способен гидролизовать пластик с помощью специальных ферментов. По словам авторов, эти бактерии способны переработать тонкую (0.2 миллиметра) пленку полиэтилентерефталата за шесть недель при температуре 30°C. Важно отметить, что организмы не только разрушают полимер, но и используют его для получения энергии.
Пленка полиэтилентерефталата, разрушенная бактериями
Бактерии гидролизуют полимер в две стадии. На первой он превращается в низкомолекулярное вещество, моногидроксиэтиловый эфир терефталевой кислоты. За это превращение отвечает фермент, названный учеными ПЭТазой. Затем происходит разложение мономера с помощью следующего фермента, МЭТазы - в результате образуется терефталевая кислота и этиленгликоль, дальнейшие превращения которых хорошо описаны.
Схема метаболизма полиэтилентерефталата
Yoshida et al. / Science, 2016
Авторы отмечают, что ПЭТаза не имеет близких аналогов у родственных бактерий, что может указывать на быструю эволюцию. По словам биологов, это еще раз подтверждает, что различные виды способны очень быстро приспосабливаться к изменениям окружающей среды.
Хотя активность фермента гораздо выше, чем у других аналогов, способных разрушать пластик, он все еще недостаточно эффективен для коммерческого использования. Авторы надеются получить ответ на вопрос, что делает его активнее - это может помочь создать новые, искусственные ферменты, с помощью которых быстрая утилизация бытовых отходов станет возможной.
Владимир Королёв
В старых научно-популярных журналах обнаруживаются порой удивительные вещи. Для меня такой жемчужиной, найденной во время ленивого «сёрфинга» по подшивке «Науки и жизни» 70-х, стал рассказ «Мутант-59». Вот он , в том самом варианте в библиотеке Мошкова - и я его крайне рекомендую. Чтобы не портить удовольствия, сюжет вкратце: действие построено вокруг выведенного учёными микроорганизма, способного пожирать все виды пластика. Он вырывается на волю и мир встаёт на грань катаклизма, сравнимого с ядерным…
Написанный на исходе 60-х, рассказ этот был одной из первых попыток прощупать нашу зависимость от пластмасс - уже тогда сильную. Но авторы «Мутанта» и представить не могли, насколько сильней она станет за следующие сорок лет! Мало того, что использование пластиков выросло почти двадцатикратно (сегодня ежегодно их производится более 300 млн. тонн), так и максимум ещё не выбран и в следующие двадцать лет, как ожидается, мы удвоим потребление.
Пластик - «выращенный» на углеводородах искусственный материал, хорошо останавливающий воду и слабо восприимчивый к агрессивным факторам земной среды. Вот чем объясняется его популярность. Но у всякой палки два конца: поскольку ничего подобного до сих пор не существовало, природа не имеет средств для безопасного уничтожения пластиковых отходов - накапливающихся пропорционально росту потребления. Мусор мог бы копиться и медленней, однако - прискорбный факт! - большинство изделий из пластика одноразового использования.
Конечно, природе может и должен помочь сам человек, но… Оценки даются разные, однако, в общем и целом, можно утверждать, что переработке подвергается меньше трети пластиковой продукции. Остальное оседает в лучшем случае на организованных свалках, в худшем же разлетается по континентам и утекает в океан, где у пластика начинается вторая жизнь.
Поскольку микроорганизмов, способных пластик разлагать, нет, под действием света, температуры, механических факторов, вялотекущих химических реакций, мусор распадается на всё более мелкие частицы, . Процесс этот даже для банальной бутылки из под питьевой воды, например, требует почти пятьсот лет - и протекает отнюдь не без последствий для живых существ. Частью всё это оседает и формирует уникальные, замешанные на пластмассах, «окаменелости» (из-за чего археологи уже называют наш век Эпохой пластика), но в значительной степени ещё и поглощается разными формами жизни, от птиц и крупных млекопитающих до мельчайшего зоопланктона.
Те, конечно же, тоже не понимают, с чем столкнулись: не успели приспособиться за всего-то сотню лет (историю ведут от целлулоида, появившегося в 1855 году). Они принимают цветные кусочки за пищу, болеют и мрут (частицы забивают пищеварительный тракт, душат, травят), становятся пищей сами. Зоопланктон, например, служит основанием морской пищевой пирамиды, так что потребляемый микроскопическими рачками пластик в конце концов оказывается в наших желудках.
Всё могло бы быть иначе, если б в природе существовала, скажем, бактерия, способная жить и выживать на пластиковой диете. Однако до последнего времени таковая оставалась фантастикой. Да, известны некоторые формы плесени, да, велись какие-то эксперименты с обнадёживающими результатами над микробами, но тем всё и ограничивалось. И вот на днях японцы нужную бактерию нашли . Добро пожаловать в светлое будущее!
Набрав образцов лежалого пластикового мусора, японцы изучали его в поисках следов ускоренного разложения. И таким вот нехитрым образом сделали свою эпохальную находку. Бактерия, названная Ideonella sakaiensis, похоже, является эволюционировавшей естественным путём разновидностью микроорганизма, известного науке. Она вырабатывает химические вещества (энзимы), разлагающие один из видов пластика до промежуточных соединений, которые уже и употребляет в пищу.
По сравнению со своим фантастическим предком, I.s. выглядит безобидной. Во-первых, она специализируется только на пластике PET (известном у нас как лавсан), который хоть и весьма популярен (прежде всего как сырьё для упаковки пищевых продуктов и воды), но занимает лишь пятую часть в мировом производстве пластмасс. Во-вторых, на съедение тонкого слоя с поверхности пластикового изделия, ей требуются недели, да и пластик лучше подготовить (термически обработав), чтобы сделать механически непрочным.
Но лиха беда начало! Ideonella sakaiensis - живое свидетельство того, что природа начала приспосабливаться к пластиковому веку. И есть хорошая надежда, что генные инженеры помогут ей сделать это быстрей: ускорить процесс переваривания, натравить на другие пластики.
Тут-то мы и возвращаемся к рассказу сорокалетней давности. Что авторы уже тогда точно подметили, так это нашу зависимость от пластмасс. Бактерия, переваривающая пластик, чрезвычайно ценна в плане борьбы с пластиковым мусором - однако проблема в том, что разбирать, где мусор, а где полезные человеку вещи, мутант конечно же не станет. «Гниение» тары для питьевой воды и упаковок пищевых продуктов - только начало. Когда Природа или инженеры научат бактерии кушать другие пластики - что, судя по комментариям учёных к работе японцев, представляется возможным - нам придётся реально туго.
Оглянитесь вокруг, вот прямо сейчас, не вставая с рабочего места. Прикиньте, какова наша зависимость от пластика! «Волшебная» невосприимчивость к гнили, ржавчине, температурам, влажности, сделали его самым популярным конструкционным материалом третьего тысячелетия. Пластик - это столы и стулья, корпуса и изоляция электронных устройств, носители данных и упаковка, пластик везде, пластик во всём! Жизнь таки нашла дорогу - и нам бы радоваться, да вот только это наверняка сделает уже нашу жизнь сложнее…
В океан попадает много пластиковых отходов, которые являются своего рода мрачным маркером эпохи антропоцена. В Тихом и Атлантическом океанах уже давно существуют плавающие свалки этого мусора, которые по размерам не уступают некоторым странам, а совсем недавно они начали появляться и в Арктике. Кроме того, некоторые необитаемые острова погребены под тоннами пластика.
Могут ли бактерии питаться пластиком
Несмотря на такое ужасное положение, ученые пришли к выводу, что количество пластика, которое мы выбрасываем каждый год, должно раз в сто превышать то, которое плавает в океане. Эта ситуация имеет несколько возможных объяснений, но в ходе нового исследования ученые пришли к выводу, что разрушать пластиковые отходы могут бактерии, живущие в океане.
Эта идея может показаться довольно странной, хотя только в прошлом году исследователи обнаружили, что недавно найденные виды бактерий способны разрушать молекулярные связи полиэтилентерефталата (ПЭТ) — одной из наиболее распространенных форм пластика. Эти бактерии в буквальном смысле используют его в качестве источника пищи.
Как правило, необходимо 450 лет, чтобы этот вид пластика полностью разложился в окружающей среде. Но бактерии справляются с ним всего за шесть недель. Именно эта информация навела команду исследователей из Университета Помпеу Фабра в Барселоне на мысль, что за отсутствие пластика в океанах мы должны в основном благодарить эти микроскопические организмы.
Хорошие новости?
На первый взгляд, новость о бактериях кажется хорошей, ведь это поможет снизить количество пластиковых отходов, которые накапливаются в океане. Сейчас огромное количество этого мусора попадает в организмы морских животных, что приводит к их смерти.
Тем не менее постарайтесь представить, что произойдет, если мы сможем и дальше выбрасывать пластик в океаны без каких-либо последствий. Скорее всего, это станет зеленым светом для производителей. Если эти бактерии смогут распространиться по всему земному шару, они снизят негативное воздействие человека на окружающую среду, и вряд ли кто-то станет утверждать, что это плохая идея.
Возможные объяснения
Хотя, конечно, нам не стоит слишком сильно полагаться на этих бактерий. Вполне возможно, что отходы, которых не досчитались ученые, погружаются в воду и хранятся на морском дне. Это значит, что однажды они могут снова всплыть на поверхность, хотя последствия такого события трудно прогнозировать.
Используя математическое моделирование, ученые сделали вывод, что другие геологические процессы или ошибки в подсчетах также могут объяснить несоответствие между глобальной скоростью производства пластмассы и ее присутствием в море.
В любом случае в настоящее время человечество продолжает выбрасывать огромное количество пластика в океаны. Хотя незначительное его количество перерабатывается, ситуация, скорее всего, не изменится, пока производители не согласятся заменить его биопластиком, который быстро разлагается в любой среде сразу же после того, как становится ненужным.
Группа микробиологов и биохимиков из Китая сделала открытие, чью важность для экологии планеты и всего человечества трудно переоценить. Были найдены бактерии, питающиеся пластиком, и в том числе полиэтиленом. На данный момент это первый просвет в решении проблемы назревающего глобального экологического кризиса.
Открытие было сделано ученными из Бейханского Университета, который находится в Пекине. Однако, как отмечает руководитель научной группы, Джан Янг: "Изначально это не было целенаправленное исследование, мне помог случай". Однажды у себя на кухне, на которой как признается биохимик царит беспорядок, он обратил внимание на полиэтиленовый пакет с просом. Внутри него копошилось множество мелких личинок, а сам пакет стал будто изрешеченными из автомата. Это привело Янга к мысли, что эти гусеницы в состоянии переваривать полиэтилен.
Эти личинки принадлежали известному сельскохозяйственному вредителю, моли Огневка южная амбарная (лат. Plodia interpunctella), которая широко распространена практически по всему свету. В ходе нескольких простых экспериментов удалось выяснить, что гусеницы Plodia interpunctella действительно едят и что более важно переваривают пластиковые продукты. Но оказалось, что заслуга самих личинок в этом весьма посредственна.
Слева: взрослая моль Огневка южная амбарная. Справа: ее личинка. В кишечнике последней и были обнаружены новые бактерии
Настоящие поедатели пластиковых продуктов находились в кишечнике огневки - это были два ранее не известных штамма бактерий. В качестве испытания эти микроорганизмы поместили на полиэтиленовую пленку. Спустя 28 дней образец пленки был рассмотрен под микроскопом, на нем присутствовали заметные признаки повреждений: продолговатые борозды и впадины глубиной до 0,4 мкм. Прочность полиэтилена, как и способность отталкивать воду снизились при этом почти в 2 раза. Еще через месяц масса пленки снизилась немногим более, чем на 10%, а молекулярная масса полимерных связей - на 13%. Другими словами, ученые получили первые веские доказательства существования бактерий, питающихся пластмассами, а также подверженности последних биологическому разложению (биоутилизации).
Главная ценность обнаруженных микроорганизмов заключается в том, что полностью отпадает потребность в какой-либо предварительной обработке пластмасс, и полиэтилена в частности. В данном случае требуется лишь поместить бактерии на пластик и они сами сделают свое дело.
И без того невообразимое количество пластиковых отходов ежегодно возрастает на 100-140 млн тонн. Сами по себе такие отходы практически не разлагаются, следовательно они будут накапливаться до тех пор пока человечество не найдет способа "борьбы" с ними.
Потенциал у открытия китайских ученых просто огромен. Дальнейшая его проработка должна стать предпосылкой к разработке первых способов чистой биоутилизации невероятно стойких и токсичных пластиковых отходов, в чем так сильно нуждается наша планета.
Благодаря многолетним исследованиям удалось отыскать бактерии, которым мусор, разлагающийся в природе столетиями, идет в пищу. Это можно назвать самым настоящим прорывом в области утилизации полимерных отходов. Поэтому корреспондент "РГ" помчалась в лабораторию Астраханского государственного технического университета. Именно здесь вывели микроорганизмы, пожирающие пластик.
Разработчиком новой технологии оказалась 23-летняя Анна Каширская, аспирант кафедры прикладной биологии и микробиологии университета. Эксперимент, начатый восемь лет назад, вылился в серьезную работу, которая, как надеется ее автор, найдет применение в реальной жизни.
Сегодня изделия из полимерных материалов используются повсеместно. Пожалуй, без полиэтиленовых пакетов современному человеку сложно даже представить поход в магазин. Пластиковая тара для молока и соков решительно потеснила стеклянную. Да и промышленные предприятия активно используют именно пластиковую упаковку, которая, по данным экспертов, сегодня составляет 40 процентов всего бытового мусора. Проблема утилизации твердых бытовых отходов в регионе, как и по всей России, стоит очень остро. Ежегодно тысячи тонн отходов складируются на загородных полигонах, при этом повсеместно ощущается нехватка новых мусороперерабатывающих предприятий.
Отслужив свой срок, пластик и полиэтилен отправляются на свалку, нанося тем самым огромный вред экологии. В Астраханской области, да и в других регионах, это грозит катастрофой, если не изобрести современный способ утилизации. Это я понимала еще в школе, - говорит Анна Каширская.
В 2006 году, будучи в девятом классе, Анна, увлеченно занимавшаяся в кружке при АГТУ "Юный микробиолог" (сегодня она, кстати, его уже возглавляет), начала опыты.
Восемь лет назад я взяла фрагмент полиэтиленового пакета размером четыре на четыре сантиметра и погрузила в обычную дистиллированную воду, куда добавила немного почвы с местного пустыря и два процента неорганических солей. Через месяц на поверхности воды образовалась зеленая пленка - это были водоросли. Разумеется, жидкость испарялась. Чтобы процесс шел непрерывно, я регулярно пополняла раствор водой, - говорит моя собеседница.
Периодически экспериментатор брала смывы с поверхности подопытного пакета. Вскоре ей удалось выделить бактерии, которые образовывались на нем постоянно. Ими оказались плесневые грибы микромицеты, для которых источником питания служит полиэтилен.
В процессе исследования под микроскопом выяснилось: грибы, растущие на поверхности полиэтилена, потребляют его частицы. При этом структура полиэтилена нарушилась. За восемь лет "испытуемый" потерял в весе около 30 процентов и стал очень хрупким, его прочность снизилась на 96 процентов, - констатирует научный сотрудник.
Получается, еще совсем чуть-чуть и пакет полностью растворится.
Было бы просто замечательно использовать достижение за пределами лаборатории. Для этого первым делом необходимо ввести раздельный сбор мусора. Чтобы, к примеру, пластиковые отходы собирались и свозились отдельно от других.
И что, их надо будет замачивать в растворе и выдерживать десятилетиями? - интересуюсь я.
Зачем же? Полученный раствор можно было бы периодически распылять над полигонами, где находит свое вековое пристанище весь полимерный мусор. А грибы медленно, но верно делали бы свое дело. В любом случае это ускорит процесс распада пластика, - уверена микробиолог.
Вот он, тот самый пакет. Анна подхватывает его аккуратно пинцетом со дна стеклянной банки. В других емкостях также лежат частицы полиэтилена. Для них старались создать другие условия. Например, перекрывали доступ кислорода крышкой, нагревали и охлаждали, экспериментировали с количеством солей и различным PH. Но оказалось, грибам - пожирателям пластика воздух просто необходим. А оптимальной для них является комнатная температура.
Кстати, продукты распада могут быть использованы в качестве удобрений. Таким образом получается безотходное производство, - приводит последний аргумент Анна Каширская.
Губернатора Астраханской области Александра Жилкина, присутствовавшего на конференции молодых ученых, где выступала Анна Каширская, очень заинтересовала разработка.
Данный проект будет поддержан региональным правительством. Мы также намерены стимулировать молодых ученых, чтобы они смогли добиться более впечатляющих результатов и сократить срок разложения полимерных отходов, которые сегодня складируются на астраханских полигонах, - подчеркнул глава региона.
За плечами астраханской изобретательницы участие во многих конференциях, где она с воодушевлением рассказывает о своем способе защиты экологии. Девушка уже стала победителем молодежного научно-инновационного конкурса "УМНИК". Полученный грант - 400 тысяч рублей Анна планирует потратить на дальнейшие эксперименты и обустройство лаборатории.
Кстати
Полиэтилен является одним из самых трудно разлагаемых веществ. Он обладает высокой прочностью, водостойкостью и является химически инертным. Существуют различные способы утилизации полимерных отходов (захоронение, сжигание, вторичная переработка), но эти методы имеют ряд недостатков. В Астраханской области не производится вторичная переработка пластика. По некоторым данным, лишь 53 процента мусорных свалок из 300 являются санкционированными. При нагревании и сжигании пластика образуются токсические вещества, в том числе угарный газ, формальдегид и многие другие. Они чрезвычайно вредны для здоровья, являются причиной возникновения тяжелых заболеваний, в том числе онкологии. Применение астраханской биотехнологии способствует снижению токсических веществ и позволяет добиться уничтожения полиэтилена в десятки раз быстрее, чем в природной среде.