Черви и бактерии против пластика: сможет ли наука спасти Землю от мусора
В конце 2010-х стало ясно, что пластиковое загрязнение — не просто страшилка из выступлений экоактивистов: эта проблема касается каждого. Число свалок и мусоросжигательных заводов растет, а микрочастицы медленно распадающегося пластика тем временем проникают повсюду: ученые уже обнаружили их в арктических льдах, на дне Марианской впадины и даже в человеческих экскрементах. Нож разбирается с тем, как изобретают новые способы утилизации мусора, могут ли насекомые переваривать пластмассу и как совершить научное открытие на ближайшей свалке.
Как и зачем утилизируют мусор сегодня?
Во-первых, пластиковых отходов и правда очень много. В 2017 году исследователи подсчитали, что с 1950-х человечество произвело около 8,3 миллиарда тонн этого материала — столько весит миллиард очень крупных слонов. По оценке ученых, две трети этого объема уже отправились на свалки или в океан, пополнив «мусорные острова».
Во-вторых, пластиковое загрязнение влечет за собой немало опасных последствий. Отходы всё чаще становятся пищей диких животных, а затем поднимаются «вверх» по пищевой цепочке. Авторы недавнего исследования обнаружили микрочастицы пластмассы в фекалиях тюленей, живущих в одном из британских реабилитационных центров для животных: источником частиц оказалась рыба, которой кормили тюленей. Другая группа ученых выяснила, что пластиковое загрязнение значительно повышает риск развития болезней у кораллов.
Воздействие пластика на организм животных и человека начали исследовать не так давно, поэтому нельзя с уверенностью сказать, насколько безопасны для нас частицы этого материала.
Кроме того, отходы меняют облик планеты: например, Большое мусорное пятно на севере Тихого океана растет с каждым годом.
Сегодня существует несколько основных способов переработки пластика. Чаще всего применяют механический рециклинг: пластмассовые отходы измельчают, плавят и фасуют в небольшие гранулы, пригодные для повторного использования. Менее популярные методы — расщепление при высокой температуре в присутствии метанола (метанолиз) или этиленгликоля (гликолиз), а также термическое разложение без доступа воздуха (пиролиз). Увы, эти способы требуют тщательной сортировки мусора и применения дорогого оборудования, поэтому сжигание отходов до сих пор обходится дешевле. Исследователи и лаборатории по всему миру ищут новые способы переработки пластика: сегодня большая часть этих технологий кажется фантастикой, но методы совершенствуются год от года. Возможно, эти подходы станут основой мусороперерабатывающих заводов будущего — эффективных, экологичных и недорогих.
Пожиратели пластика: переработка с помощью насекомых
Насекомые настолько разнообразны, что способны съесть, кажется, что угодно — от подпорченных фруктов до свитеров из вашего шкафа. Ученые обнаружили, что некоторым видам насекомых можно скормить и пластик — пищеварительная система тех, кого мы привыкли считать вредителями, эффективно перерабатывает наш мусор, превращая его в безопасные отходы. Как это происходит и смогут ли черви и личинки заменить предприятия по сортировке пластмассы?
В 2015 году исследователи из США и Китая выяснили, что личинки большого мучного хрущака неплохо чувствуют себя на пластиковой диете. Несколько сотен червей в течение двух недель кормили пенополистиролом, одним из самых популярных типов пенопласта, и в то же время личинки из контрольной группы ели отруби. Выживаемость в обеих группах оказалась примерно одинаковой, пенопласт не навредил будущим жукам. В финале эксперимента исследователи отправили на анализ экскременты мучных червей, питавшихся пенопластом: выяснилось, что 48 % пластика пищеварение личинок превратило в углекислый газ, а другая половина подверглась деполимеризации — длинные полимерные цепочки разбились на звенья-мономеры. За день сотня личинок уничтожала до 40 миллиграммов пенопласта.
В 2017 году группа европейских ученых под руководством Федерики Берточчини обнаружила еще один вид «пожирателей мусора». Биологам помогло необычное хобби Берточчини: на досуге она разводит пчел. Исследовательница рассказывает, что ульи нужно регулярно очищать от вредителей, в том числе от личинок большой восковой моли Galleria mellonella.
Эти личинки поселяются на пчелиных сотах и едят всё, до чего доберутся, — мед, пергу и воск. Однажды Берточчини, очищая ульи, собрала личинок в полиэтиленовый пакет, а вскоре обнаружила, что насекомые прогрызли пластик насквозь.
Биолог повторила опыт в лаборатории и выяснила: сто личинок Galleria mellonella справились с 92 миллиграммами полиэтилена за 12 часов. Впрочем, оставалось неясным, могут ли насекомые разрушить пластик полностью, или им под силу лишь измельчить его. Чтобы проверить это, биологи растерли личинок моли в густую пасту, а затем обработали ею полиэтилен — по мнению ученых, в такой пасте сохраняются все вещества, которые могли бы способствовать распаду материала. Результаты оказались скромнее, но около 13 % пластика все-таки удалось растворить. По словам Берточчини и ее соавторов, пищеварительная система личинок хорошо приспособлена к тому, чтобы разрушать углеродные связи C–C в пчелином воске, поэтому она может справиться с подобными структурами и в составе полиэтилена, выделяя при этом двухатомный спирт этиленгликоль. Исследователи пока не знают, какие механизмы помогают насекомым это делать: возможно, дело в ферментах, которые выделяют микроорганизмы, живущие в кишечнике личинки.
Впрочем, некоторые ученые уже усомнились в теории Берточчини. Немецкие исследователи повторили опыт, но вместо пюре из личинок нанесли на пластик свиной фарш и яичный желток. Результат измеряли тем же методом инфракрасной спектроскопии, что и в оригинальном эксперименте, и спектрограмма оказалась очень похожа на ту, что получила Берточчини. Это не значит, что личинки восковой моли не могут перерабатывать мусор: результат работы немцев показывает, что говорить о новой технологии переработки ученые смогут лишь после того, как разберутся, какой именно процесс в кишечнике моли помог разрушить полиэтилен в первых экспериментах.
Группа «Грибы»: грибок против свалки
Еще один неожиданный союзник в борьбе за чистую планету — грибки. В 2017 году это выяснили ученые из Китая и Пакистана: в поисках организмов, способных разрушать мусор, они отправились на свалку в Исламабаде. Из образцов свалочной почвы ученые выделили грибок, разрушающий полиуретан. Хотя этот материал — не пластик, технологии его утилизации не менее важны: из полиуретана делают множество вещей от автомобильных шин до подошв ботинок.
Внимание ученых привлек грибок Aspergillus tubingensis, близкий родственник хорошо знакомой нам «черной плесени» Aspergillus niger.
Умение этого грибка разлагать полиуретан протестировали сначала в лаборатории, а потом и в полевых условиях — материал обрабатывали грибком и зарывали в почву.
Лучше всего Aspergillus tubingensis работал в желеобразной питательной среде из агар-агара, но и в почве он неплохо справлялся с задачей. Исследование методом инфракрасной спектроскопии показало, что грибок действительно разрушает химические связи полиуретана.
Авторы этой работы — не единственные, кто совершил открытие на свалке. То же самое удалось сделать ученым из Индонезии: с помощью грибков Aspergillus nomius и Trichoderma viride они смогли уничтожить низкоплотный полиэтилен, который часто используют в производстве пластиковых пакетов. Недостаток этого метода в том, что нужные реакции идут медленно, за 45 дней грибок съел лишь 5–7 % пластиковых образцов. Сейчас несколько групп ученых по всему миру ищут условия, при которых грибки смогут уничтожать пластик быстрее — возможно, реакции ускорятся при определенной температуре или уровне кислотности среды.
Микромир за чистоту: бактерии, разрушающие пластик
Все исследователи, изучающие переработку с помощью насекомых и грибков, приходят к выводу: важнейшую роль в этом играет микрофлора организмов-«пожирателей». Если удастся выяснить, что это за микробы, тот же механизм можно будет воспроизвести без участия грибка или личинок.
В 2016 году такой штамм бактерии Ideonella sakaiensis удалось получить японским биологам. Источником снова стали образцы почвы и грязи — ученые собрали их неподалеку от завода по переработке бутылок из ПЭТ (полиэтилентерефталата), одного из самых популярных в мире упаковочных материалов. На остатках пластика обитало несколько типов бактерий, но штамм 201-F6 оказался единственным виновником разложения ПЭТ.
Эти бактерии выделяют особые ферменты, которые получили названия «ПЭТаза» и «МЭТаза», — они запускают серию реакций, позволяющих разложить бутылочный пластик на две менее токсичных составляющих, терефталевую кислоту и спирт этиленгликоль.
По словам биологов, новые ферменты разрушали ПЭТ эффективнее и быстрее, чем производные других «пластикоядных» бактерий, например, обитающей в навозных кучах Thermobifida fusca. Ученые говорят, что им не удалось найти аналогов ПЭТазы у бактерий-родственников Ideonella sakaiensis. Возможно, это говорит о том, что фермент возник в ходе эволюции свалочных бактерий: так микроорганизмы не только приспособились к жизни в мусоре, но и получили новый источник пищи. Биологи, открывшие ПЭТазу, признавали: фермент работает очень медленно, на разложение образца тонкой пластиковой пленки у них ушло шесть недель даже при оптимальной температуре в 29 °C.
Ускорить работу ПЭТазы пытаются несколько команд ученых по всему миру, и в начале 2018 года исследователям из Портсмутского университета неожиданно улыбнулась удача. Британцы изучали кристаллическую структуру фермента, чтобы выяснить, как именно он расщепляет пластик на мономеры, — с этого процесса начинается разложение материала. Известно, что ПЭТаза по структуре напоминает другой фермент, кутиназу, который выделяют грибы, обитающие на листьях растений: кутиназа помогает грибам разрушать защитную оболочку листа и проникать внутрь. ПЭТазу от кутиназы отличает более открытая структура активного центра — части фермента, которая удерживает молекулы поглощаемого материала.
Чтобы разобраться, как работает этот участок белка, ученые создали «гибрид» — активный центр новой ПЭТазы напоминал соответствующий участок кутиназы. Биологи предполагали, что фермент с «закрытым» центром будет захватывать меньше молекул и расщеплять пластик менее активно, но тут ученых ждал сюрприз: новая искусственная ПЭТаза работала на 20 % эффективнее. Кроме того, фермент мог разрушать не только ПЭТ, но и другой полимер, ПЭФ (полиэтилен 2,5-фурандикарбоксилат). Ученые планируют и дальше изучать структуру ПЭТазы, чтобы «разогнать» работу фермента как можно сильнее: пока реакции разрушения всё еще идут слишком медленно.
Еще много-много раз: вторичное использование пластика
Полностью уничтожить пластик нелегко, но есть еще один подход, позволяющий уменьшить количество мусора, — повторное использование материала. Например, бутылки из ПЭТ измельчают в мелкие хлопья, которые затем становятся сырьем для изготовления тканей, утеплителей или новых бутылок. Однако мелкие предметы вскоре снова придется выбрасывать, и не факт, что они попадут в переработку, а не на свалку.
Чтобы увеличить цикл использования пластика, исследователи предлагают делать из отходов «долгоиграющие» объекты, — например, добавлять его в дорожное покрытие.
Сегодня дорожное полотно чаще всего покрывают асфальтом: смесью песка и гравия с различными битумами. Инженеры предлагают заменить часть битума на пластиковые гранулы, чтобы сделать покрытие крепче и долговечнее (один из производителей заявляет, что его разработка на 60 % прочнее традиционного асфальта). Насколько эти обещания соответствуют действительности, можно будет проверить в ближайшие годы: такую дорогу планируют построить на территории Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Новые методы выглядят многообещающе, но ни один из них еще не начали применять на практике. Пройдут годы, прежде чем насекомые, грибки или искусственные ферменты всерьез возьмутся за переработку нашего мусора. Впрочем, уменьшить объемы пластикового загрязнения мы можем уже сегодня, сортируя отходы и сокращая их объем.
Источник: knife.media