Переработка пластиковых отходов различными видами живых организмов
На развитие природных экосистем значительное влияние оказывает антропогенный фактор. Любые поллютанты, попадающие в природную среду, вызывают неблагоприятные трансформации ее структуры и внешнего вида. Загрязнение окружающей среды представляет собой глобальную проблему современности, о которой написано большое количество научных работ и книг, проведены многочисленные исследования.
По характеру факторов возникновения антропогенное загрязнение подразделяется на:
– биологическое (биогенное, микробиологическое, генетическое);
– химическое (тяжелые металлы, пестициды, пластмассы и др. химические вещества);
– физическое (тепловое, шумовое, электромагнитное, световое, радиоактивное).
Одной из настоящих эпидемий XXI века стала проблема пластикового загрязнения. Пластмассы представляют собой органические материалы, в основе которых имеются высокомолекулярные соединения (полимеры) синтетического или природного происхождения. В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразделяются на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, полистирол и т.д.) состоят из одного компонента синтетической смолы; композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную функциональную роль. В композиционных пластмассах смола является связующим звеном для других составляющих. Свойства связующего во многом определяют физико-механические и технологические свойства пластмассы. Помимо связующего в состав композиционных пластмасс входят добавки – наполнители (для повышения механической прочности, теплостойкости и т.д.), пластификаторы (увеличивающие эластичность, текучесть, гибкость), красители, отвердители, катализаторы и т.д.
Пластиковое загрязнение включает в себя накопление пластмассовых изделий в окружающей среде, которые оказывают неблагоприятное воздействие на дикую природу, среду обитания животных или людей. Пластмассовые изделия являются недорогими и долговечными, благодаря чему их можно найти практически повсюду. В большей степени пластиковая тара используется в пищевой промышленности, в эту отрасль направляется более 50% всего объёма полимерной тары, 25% пластиковой продукции применяется в химической промышленности, что легко объясняется её свойствами прочности и устойчивости к химическим реакциям, остальные 25% равномерно распределяются по остальным отраслям, включая лакокрасочную, строительную и другие [1].
Основная и серьезная проблема данного материала – его очень медленное разложение. Большая часть пластиковых отходов попадает в Мировой океан, и лишь небольшая доля (всего 5 %) уходит на переработку. Поэтому, несмотря на многочисленные преимущества пластмассовых изделий, существует экологическая проблема мирового масштаба, а именно вопрос грамотной утилизации полимерных материалов [2].
Сегодня известны следующие основные способы переработки пластика:
– пиролиз – термическое разложение пластмасс, происходящее при высокой температуре при отсутствии кислорода;
– гидролиз – разложение пластмассы при помощи экстремальных температур и давления;
– гликолиз – деструкция, протекающая при высоком давлении и температуре в присутствии катализатора и этиленгликоля до получения экологически чистого продукта;
– метанолиз – расщепление пластиковых отходов с помощью метанола.
Однако ряду ученых различных стран удается находить новые способы биологического разложения пластикового мусора.
До недавнего времени не было известно ни одного микроорганизма, который мог бы деградировать пластмассы или использовать их для поддержания своего роста. Ситуация изменилась в 2007 году: немецкие ученые выяснили, что нитчатые грибы Fusarium oxysporum и F. solani могут расти на минеральной среде, содержащей нити полиэтилентерефталата. ПЭТ, обработанный ферментом из F. oxysporum, показал значительно более высокий рост гидрофильности по сравнению с полиэтилентерефталатом, обработанным ферментом из F. solani. Статья о проведенных исследованиях была опубликована в журнале «Biotechnology Journal» [3].
В 2011 году группа биохимиков из Йельского университета, тестируя разнообразные организмы-эндофиты на предмет биологической активности, обнаружила, что обитающий в тропических джунглях Эквадора эндофитный гриб Pestalotiopsis microspora способен питаться, переваривая полиуретановые пластмассы [4]. Было установлено, что P. microspora разлагает не только твердые пластиковые изделия, но и жидкие, а также различные синтетические волокна, находящиеся в одежде. При этом способность к разложению пластика сохраняется как в кислородной, так и бескислородной среде. Йельские биохимики смогли выделить вырабатываемый P. microspora фермент из класса серин-гдролаз, с помощью которого данный вид грибов и способен разлагать полиуретан.
Учеными из Китая и Кении было обнаружено, что способностью к разложению пластмассы обладает также плесневый гриб Aspergillus tubingensis .
Пытаясь определить, питается ли кто-то из живых существ пластиком так же, как другие организмы питаются веществами растительного и животного происхождения, ученые провели лабораторные испытания с образцами, которые показали, что гриб A. tubingensis способен расти на пластиковых поверхностях, выделяя при этом ферменты, разрушительные для химических связей в полимерах. Для этого он использует свой мицелий (грибницу). Было установлено, что за несколько недель гриб способен разрушить пластмассу, на разложение которой в обычных условиях потребовалось бы много лет. Также было отмечено, что на скорость разложения пластика под действием гриба могут влиять температура и кислотно-щелочной баланс [5].
Биологи из Кембриджа и Института биомедицины и биотехнологии Кантабрии обнаружили, что полиэтилен могут разлагать и личинки восковой моли Galleria mellonella . Открытие было сделано Федерикой Берточчини, одним из соавторов статьи, во время чистки ульев от гусениц моли. Она складывала их в пластиковую сумку – и через какое-то время вся сумка была изрешечена дырами. Тогда ученые решили уже в лабораторных условиях исследовать, каким образом данный вид личинок разрушает пластик. Они установили, что сто гусениц большой восковой моли за 12 часов уничтожают 92 мг полиэтилена. Был произведен анализ работы пищеварения большой восковой моли во время переработки пластика. Спектроскопический анализ показал, что в выделениях личинок не содержится микропластика, как, например, у платяной моли, наевшейся синтетики. Установлено, что расщепляя полиэтилен, гусеницы G. mellonella превращают его в этиленгликоль [6].
Еще раньше группа ученых из Китая и Америки выяснила, что гусеницы мучных хрущаков (Tenebrio molitor) способны перерабатывать такую распространенную форму пластика, как пенопласт. Исследователи заключали в стеклянных колбах по 40 личинок и 6 грамм пенопласта на две недели и измеряли в них уровень CO2. Было выяснено, что за это время личинки съедают около четверти пенопласта. Из съеденной массы почти 48 % было преобразовано в углекислый газ, 49 % – выделено. Остальная масса была преобразована в энергию и массу тела личинок. Исследование их выделений показало, что в процессе переваривания пенопласт деградировал.
Покормив личинок антибиотиками, учёные выяснили, что пенопласт перестал перевариваться, т.е. за его переработку отвечают бактерии, живущие внутри мучных червей. Ученые выделили из червей 13 культур бактерий и попробовали вырастить их на подкормке из пенопласта, и наилучших успехов добились с бактериями Exiguobacterium [7].
Японские исследователи из Киотского института технологии и Университета Кэйо, занимающиеся проблемой загрязнения окружающей среды пластиковыми отходами, выделили новый вид бактерий, способных разлагать полиэтилентерефталат – этот термопластик применяется в основном для изготовления пластиковых бутылок. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Science» [8]. Авторы работы взяли на заводе по переработке пластиковых бутылок 250 проб почвы, сточных вод и активного ила, загрязненных ПЭТ, и провели отбор микроорганизмов, растущих на ПЭТ-пленке. Лишь в одной пробе оказался микробный консорциум, который индуцировал морфологические изменения пленки. Новый вид бактерий получил название Ideonella sakaiensis 201-F6 – грамотрицательная аэробная бета-протеобактерия. Ученые установили, что при росте I. sakaiensis полиэтилентерефталатная пленка сильно повреждается и через шесть недель при 30°С практически исчезает.
Было установлено, что 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.
И это далеко не полный список всех открытий в области переработки пластика теми или иными видами живых организмов.
Исследования по всем найденным способам разложения пластика продолжаются – во всех случаях ищутся оптимальные условия и возможности масштабного применения обнаруженных свойств живых существ.
Список литературы
- Аипова, А.Р. Основные тенденции на рынке упаковки / А.Р. Аипова, Н.В. Дюженкова // Вестник научных конференций. – 2016. – № 5 (9). – С. 8–10.
- Торосян, Г.О. Разработка эффективного способа утилизации полимерных отходов / Г.О. Торосян, А.А. Исаков // Химическая безопасность. – 2017. – Т. 1, № 2. – С. 198–204.
- Nimchua, T. Comparison of the hydrolysis of polyethylene terephthalate fibers by a hydrolase from Fusarium oxysporumLCH I and Fusarium solani f. sp. pisi. / T. Nimchua, H. Punnapayak, W. Zimmermann // Biotechnology Journal. – 2007. – № 2. – P. 361–364.
- Russel, J.R. Biodegradation of polyester polyurethane by endophytic fungi / J. R. Russel, J. Huang, P. Anand [et al.] // Applied and environmental biotechnology. – 2011. – Vol. 77, № 17. – Р. 6076–6084.
- Khan, S. Biodegradation of polyester polyurethane by Aspergillus tubingensis / S. Khan, S. Nadir, Z.U. Shah [et al.] // Environmental Pollution. – 2017. – Vol. 225. – P. 469–480.
- Bombelli, P. Polyethylene biodegradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella / P. Bombelli, C.J. Howe, F. Bertocchini // Current biology. – 2017. – Vol. 27, № 8. – P. 6076–6084.
- Yang, Y. Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 2. Role of Gut Microorganisms / Y. Yang, J. Yang, W.-M. Wu [et al.] // Environ. Sci. Technol. – 2015. – Vol. 49, № 20. – P. 12087–12093.
- Yosida, S. A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate) / S. Yosida, K. Hiraga, T. Takehala // Science. – 2016. – Vol. 351, № 6278. – P. 1196–1199.
Главная картинка взята с сайта по ссылке.
© Вероника Сеглин, младший научный сотрудник лаборатории моделирования и минимизации антропогенных рисков
Добавить комментарий