Традиционные системы управления отходами не справляются с задачей, поэтому многие учёные обращаются к природе в поисках инновационных решений проблемы пластиковых отходов. Одним из перспективных направлений является микробная деградация: использование естественных способностей определённых бактерий и грибов для разрушения пластика, что недоступно современным технологиям.
Эти микробы производят специализированные ферменты (белки, которые осуществляют химические реакции), способные разрушать длинные углеродсодержащие цепи молекул, которые образуют основу многих пластиковых полимеров. По сути, они используют пластик в качестве источника пищи.
Учёные, ищущие микробы, разлагающие пластик, исторически фокусировались на загрязнённых пластиком средах, таких как свалки и загрязнённые почвы. Это логичные отправные точки, поскольку длительное воздействие синтетических полимеров может стимулировать рост организмов, способных использовать эти материалы в качестве источника пищи. Эта тенденция также наблюдалась при работе с другими загрязнителями окружающей среды, включая нефть и пестициды.
Такой подход привёл к открытию нескольких перспективных штаммов микробов, которые могут разлагать пластик. Среди наиболее известных примеров — Ideonella sakaiensis, бактерия, обнаруженная вблизи предприятия по переработке пластиковых бутылок в Японии. Она способна полностью разлагать полиэтилентерефталат (ПЭТ), пластик, наиболее часто используемый в бутылках и упаковке пищевых продуктов.
Однако микробы, разлагающие пластик, не развили эту способность в ответ на пластиковое загрязнение. Вместо этого учёные обнаруживают и перепрофилируют метаболические функции, которые уже существуют в природе.
Многие микробы уже обладают способностью разлагать природные полимеры, такие как целлюлоза (растительные волокна), хитин (содержится в грибах и насекомых) и кутин (содержится на поверхности листьев). Эти природные материалы имеют структурное и химическое сходство с синтетическими пластиками. Это сходство позволяет микробам перепрофилировать существующие ферменты для борьбы с синтетическими веществами.
Недавнее исследование моей команды, опубликованное в журнале «Polymer Degradation and Stability», подтверждает эту идею. Из незагрязнённых сред, богатых природными полимерами (торфяное болото и домашний компост), мы выделили два штамма бактерий, Gordonia и Arthrobacter, которые разложили полипропилен и полистирол почти на 23% и 19,5% соответственно всего за 28 дней. Важно отметить, что это произошло без какой-либо предварительной обработки, которая часто требуется, чтобы сделать пластик более восприимчивым к микробному воздействию.
Хотя эти цифры могут показаться скромными, они являются одними из самых высоких показателей биоразложения, когда-либо зарегистрированных для этих пластиков. Это говорит о том, что нам не нужно ограничиваться загрязнёнными участками. Возможно, мы сможем найти микробы с отличным потенциалом разложения пластика где угодно.
Это согласуется с другим интересным исследованием, показывающим, что восковые моли (Galleria mellonella) могут есть пластиковые пакеты благодаря специфическим кишечным микробам. Восковые моли не потребляют пластик естественным образом, они являются распространёнными вредителями в ульях, где питаются сотами. Но структурно соты похожи на полиэтилен, основной компонент пластиковых пакетов.
Эти достижения воодушевляют, поскольку показывают, как природа может предложить нам инструменты для решения проблемы пластика, которую мы создали.
Пластик — один из самых распространённых материалов на Земле. Лёгкий, прочный, дешёвый в производстве и бесконечно универсальный, он проникает практически во все аспекты современной жизни. В критически важных приложениях, таких как медицинские устройства и оборудование, его присутствие не просто удобно, но и необходимо. От него зависят жизни.
Но в неправильном контексте качества, которые делают пластик таким полезным и долговечным, становятся его самым большим недостатком. Большинство пластиков не поддаётся биологическому разложению, вместо этого они накапливаются в природной среде, постепенно фрагментируясь на микропластик, который может существовать веками. Это создаёт долгосрочную угрозу природе и здоровью человека.
Мировое производство пластика в настоящее время превышает 460 миллионов тонн в год. Половина этого объёма приходится на одноразовые изделия, которые часто используются всего несколько мгновений, прежде чем их выбрасывают.
При этом глобальный уровень переработки пластика составляет всего 9%. Около половины отходов попадает на свалки, примерно пятая часть сжигается, а ещё пятая часть не перерабатывается, не сжигается и не содержится должным образом. Это означает, что отходы могут попасть в реки, озёра и океаны. Результат — планета, утопающая в синтетических отходах.
Поскольку производство и утилизация пластика продолжают опережать наши возможности по управлению ими, потребность в инновационных, устойчивых решениях становится острой. Признавая это, ООН ведёт переговоры о глобальном договоре по пластику, цель которого — построить более циркулярную экономику для пластмасс и положить конец пластиковому загрязнению к 2040 году.
Хотя остаются проблемы в повышении способности микроорганизмов к биоразложению, чтобы сделать их жизнеспособным решением для крупномасштабного управления отходами и восстановления окружающей среды, прогресс неуклонно идёт вперёд.
Достижения в области микробной инженерии, открытия ферментов и экологической микробиологии прокладывают путь к более эффективным и масштабируемым системам биоразложения пластика. При продолжении исследований и инвестиций то, что когда-то было далёкой перспективой, теперь стало реалистичным и многообещающим компонентом более широкой стратегии борьбы с пластиковым загрязнением.