Микроорганизмы научились по-новому разлагать пластиковый мусор
В открытом американскими учеными «тандеме» бактерий каждый штамм запрограммирован на расщепление только одного компонента ПЭТ-пластика – терефталевой кислоты или этиленгликоля. Такая специализация ускоряет переработку бытовых отходов и позволяет получать ценное вторсырье.
В XXI веке государства и бизнесы пытаются бороться с накоплением пластиковых отходов в условиях растущего потребления разнообразных товаров из пластика.
Повторное вовлечение полимерных материалов в оборот решает проблему лишь частично. У промышленной переработки отходов во вторичный пластик есть минус, существенный для современной «зеленой» повестки, – этот процесс создает новый углеродный след. Кроме того, полимеры физически нельзя перерабатывать бесконечно – на определенном этапе пластиковые отходы просто сжигают.
Изменить ситуацию может широкое применение биоразлагаемых пластиков. О перспективах и проблемах производства этих материалов мы уже рассказывали. Однако стремительное развитие биотехнологий позволяет справляться с залежами пластика и другим способом. Запрограммированные микроорганизмы питаются пластиком и перерабатывают его в базовые химические компоненты. Это даст возможность пересобрать ресайклинг и запустить новые цепочки создания ценных материалов.
Что могут бактерии?
Микробиологи нашли десятки видов бактерий, которые питаются пластиком. Современная наука также позволяет менять и развивать в микроорганизмах определенные свойства.
Немецкие ученые в 2021-м году обнаружили бактерию, которая питается полиуретаном (подошвы обуви, разнообразные защитные покрытия). Сроки разложения медленные – для «поедания» каждой частицы полиуретана нужны недели.
Ученые из Нидерландов в прошлом году отчитались об исследовании, в ходе которого доказали, что бактерии вида Rhodococcus ruber способны расщеплять полиэтилен и использовать возникшие в результате этого молекулы углеводорода в своей жизнедеятельности. Rhodococcus ruber живут в море и создают там пленки вокруг пластикового мусора. Именно эти пленки обеспечивают деградацию пластика. Исследователи уверены, что при правильном использовании эти микроорганизмы могут уничтожать более 1% от всего полиэтилена, который ежегодно попадает в Мировой океан. Сколько отходов уже уничтожили Rhodococcus ruber до того, как стали предметом изучения, сложно представить.
Поступательный рост объемов пластикового мусора с 2 до 300 млн тонн в год в течение последних 50 лет, позволил микробам адаптироваться и получить новые свойства, чтобы жить и развиться в среде, где много пластика.
Наиболее эффективной в разложении одного из самых распространенных видов пластика – полиэтилентерефталата (ПЭТ, материала для бутылок и упаковки) считают бактерии вида Ideonella sakaiensis. Группа ученых из США улучшила свойства Ideonella sakaiensis по расщеплению ПЭТ в шесть раз: бактерия способна разлагать 98% пластика, создавая его исходные компоненты – терефталевую кислоту (ТФК) и моноэтиленгликоль (МЭГ). В блоге мы размещали статью о возможностях Ideonella sakaiensis.
Микроорганизмы узкой специализации
Американские ученые из университета Иллинойса в научном журнале Nature Communications осенью этого года опубликовали результаты работы по разложению ПЭТ-пластика почвенными бактериями Pseudomonas putida. Главная особенность опытов – узкая специализация двух искусственных штаммов бактерии.
«Созданный нами бактериальный консорциум состоит из двух штаммов Pseudomonas putida, один из которых специализируется на разложении терефталевой кислоты, а второй – на взаимодействиях с молекулами этиленгликоля. Как показали наши опыты, «тандем» из таких микробов разлагает пластик быстрее и эффективнее, чем одиночный штамм данной бактерии, способный исполнять обе функции», – сообщают участники опытов.
Pseudomonas Putida впервые описали в конце XIX века. Она обитает в различных природных средах, включая почву, воду и растения. Бактерия может выдерживать высокие и низкие температуры, кислотность и щелочность. Pseudomonas Putida способна вырабатывать ферменты, которые разлагают сложные углеводороды нефти на более простые соединения.
Ученые встроили в ДНК одного из двух выведенных штаммов Pseudomonas putida набор генов RHA1, полученный из генома бактерии Rhodococcus jostii. Этот фрагмент ДНК помогает вырабатывать ферменты, необходимые для расщепления молекул ТФК.
Геном другого штамма Pseudomonas putida модифицировали так, что микроб активно поглощал МЭГ и не замедлял свою жизнедеятельность при его больших концентрациях, как это обычно бывает с бактериями других видов, взаимодействующих с этиленгликолем.
Работу различных комбинаций того и другого микроба проверили на образцах питательной среды, которые состояли из смеси ТФК и МЭГ.
Основной рабочий процесс включал три этапа:
- Деполимеризация ПЭТ с помощью щелочного гидролиза.
- Смешение гидролизованного продукта со средой М9 (основа для культивирования почвенных бактерий) и фильтрация для образования питательной среды.
- Засевание среды искусственными микробами для проведения ферментации.
Согласно наблюдениям, «тандем» из двух бактерий разлагал пластик и его компоненты примерно на 36–57% быстрее, чем одиночный штамм Pseudomonas putida, способный расщеплять молекулы и ТФК, и МЭГ. Это было особенно характерно для высоких концентраций ТФК и МЭГ, что делает консорциум из трансгенных микробов Pseudomonas putida особенно эффектным для переработки ПЭТ-пластика.
Что получают вместо МЭГ и ТФК?
Другая важная особенность нового способа разложения ПЭТ с помощью бактерий, заключается в конечных продуктах ферментации пластика. Ученые из университета Иллинойса сообщили о получении ценных биоразлагаемых веществ – полигидроксиалканоата (ПГА) и муконата.
ПГА – это полиэфиры, синтезируемые множеством микроорганизмов. ПГА применяют для производства предметов домашнего обихода, (например, дозаторов для мыла, держателей для зубных щеток и т.д.). Пленки ПГА используют для упаковки одноразовых изделий (предметы гигиены, бритвы). В медицине ПГА рассматривают как основу для реконструктивной хирургии тканей и даже создания биоискусственных органов. Из ПГА делают перевязочные материалы. Важно, что ПГА обладают гемосовместимыми свойствами, так – малая доля ПГА содержится в крови человека и животных. ПГА являются полностью биоразлагаемым материалом со скоростью разложения в природе намного выше, чем у различных пластиков.
В РФ технологии синтеза ПГА на различных субстратах изучает Институт биофизики РАН, в котором создали первое в стране опытное производство этого материала. В Институте разработали технологию синтеза ПГА на синтез-газе, который получают из бурых углей.
Муконат (цис-цис муконовая кислота) – это молекула, которая может быть преобразована либо в химические вещества прямой замены, такие как адипиновая кислота и ТФК, либо в биопродукты с улучшенными характеристикам. Муконат получают из лигнина, углеводов и ароматических соединений.
Сейчас невозможно представить, как на практике в промышленных масштабах может быть реализован способ переработки пластика, о котором рассказали ученые из университета Иллинойса. Ускорить прохождение пути от научных опытов до внедрения может интерес и инвестиции крупного бизнеса. Переработка обычного пластика углеводородного происхождения в компоненты для биоразлагаемого пластика на фоне выраженной «зеленой» повестки на Западе является очень интересной основой для биотехнологического стартапа.
