Бактерии, поедающие пластик, изменят мир?⁠⁠

Японским ученым в 2001 году впервые посчастливилось обнаружить уникальные виды микробов, которые способны поедать пластик! По сути, они открыли новое направление в переработке отходов. Сегодня многие эксперты из разных стран, в том числе и из России, изучают эти бактерии, чтобы навсегда решить проблему утилизации отходов. Звучит заманчиво, но так ли все просто? Попытаемся подробнее разобраться в этом вопросе.

Фото: Усыпанное пластиком мангровое болото во Вьетнаме. Фотография: Нхак Нгуен/AFP/Getty Images

Непознанный мир бактерий

Еще каких-то 200 лет назад отношение к микробам в научном мире было, мягко говоря, настороженное. Предполагалось, что это вредоносные патогены, нуждающиеся в тотальном уничтожении. И уж точно никакой пользы они не несут.

С появлением мощных микроскопов, с изобретением пенициллина и других антибиотиков, отношение к миру бактерий изрядно изменилось. Около 25 лет назад ученые пришли к единому мнению, что на планете, вероятно, существует около десяти миллионов видов микробов. Однако за последнее десятилетие некоторые новые исследования показали, что это число достигает триллиона! Причем подавляющее большинство бактерий до сих пор неизвестно. Даже в организме человека ученые обнаружили микробы, которые влияют на все жизненно важные процессы — от способности противостоять болезням до нашего настроения. Бактерии повсюду — даже в глубинах морей обнаружены микроорганизмы, прекрасно себя чувствующие в кипящих термальных источниках. Есть даже микробы в месторождениях сырой нефти, способные расщеплять ископаемое топливо.

Невероятная адаптивность делает микробы самыми живучими существами на планете. Их популяция может исчисляться миллиардами, при этом они быстро эволюционируют, за счет чего способны процветать в самых экстремальных условиях. Например, они без проблем живут в подкисленной воде, с удовольствием питаются продуктами гниения и даже пластиком!

Забытое открытие японских ученых

В 2001 году группа японских ученых сделала поразительное открытие — и не где-нибудь, а прямо на городской свалке. В траншеях, заполненных грязью и отходами, они обнаружили слизистую пленку бактерий, которые с большим аппетитом пережевывали пластиковые бутылки, игрушки и другие безделушки. Разлагая таким образом выброшенный пластик, микробы извлекали из него СО2 для получения энергии, которая им необходима для роста, перемещения и размножения.

Группу ученых возглавил микробиолог, профессор Киотского технологического института, Кохей Ода. Изначально его команда искала вещества, которые могли бы смягчить синтетические ткани, такие как полиэстер, то есть такие микроорганизмы, которые выработали простой способ атаковать поверхность пластика. Но то, что они в итоге обнаружили на этой свалке, оказалось настоящим открытием. По сути, бактерии полностью расщепляли пластик и перерабатывали его в основные питательные вещества!

Потенциал этого открытия трудно недооценить, учитывая масштабы пластикового загрязнения на планете. Однако в начале 2000-х термин «микропластик» не был у всех на устах, и тема не вызвала широкого общественного резонанса. В итоге предварительные статьи о бактериях, собранные японской командой, так и не были опубликованы.

Пластиковый апокалипсис не за горами?

Фотография: Дэн Китвуд/Getty Images

Однако за прошедшие 20 лет с момента открытия Оды пластиковое загрязнение стало невозможно игнорировать. За это время человечество произвело 2,5 миллиарда тонн пластиковых отходов, и каждый год это число увеличивается примерно

на 380 миллионов тонн!

По прогнозам, к 2060 году это количество утроится. Куча пластиковых отходов, которая находится посреди Тихого океана, в 7 раз превышает размер Великобритании, а пластиковые бутылки забивают пляжи по всему миру.

Даже во фруктах и овощах были обнаружены частицы микропластика и нанопластика, попавшие в них через корни растений. Эти частицы обнаружили почти в каждом органе человека — они могут даже передаваться от матери к ребенку через грудное молоко!

При этом существующие сегодня методы разрушения или переработки пластмасс далеки от совершенства. Подавляющее большинство процессов переработки пластика включает этап дробления и измельчения, в результате которого волокна, из которых состоит пластик, изнашиваются и ломаются, из-за чего их качество становится более низким. В то время как стеклянный или алюминиевый контейнер можно переплавлять и перерабатывать неограниченное количество раз, гладкий пластик, например, из-под бутылки с водой, портится каждый раз, когда его перерабатывают. Такая бутылка превращается в пестрый волокнистый пакет, а затем — в дорожный наполнитель, после чего уже никогда больше не будет перерабатываться. И это лучший вариант развития событий.

Актуально как никогда

Спустя годы после открытия Ода и его ученики продолжили свои наблюдения за пожирающими пластик бактериями, после чего опубликовали свою работу в престижном журнале Science в 2016 году. В этот раз их открытие стало настоящим революционным прорывом!

Ода и его коллеги назвали бактерии, обнаруженные на свалке, «Ideonella sakaiensis» — по названию города Сакаи, где они были найдены. Ученые рассказали про особый фермент, вырабатываемый этими микробами, который и позволяет им расщеплять ПЭТ — наиболее распространенный тип пластика, входящий в состав одежды и упаковки. На сегодняшний день резонанс открытия японских ученых очевиден: статья Оды имеет более 1000 научных цитирований, что ставит ее в число лучших научных статей.

Фото: рабочий укладывает переработанные из пластиковых бутылок пластиковые чипсы, Шри-Ланка. Фотография: Ишара С. Кодикара/AFP/Getty Images

Несмотря на созданный резонанс, следует признаться, что данное открытие — всего лишь капля в море глобальной экологической катастрофы. Чтобы бактерии действительно смогли как-то улучшить ситуацию с наводнением отходов на планете, они должны «работать» гораздо быстрее и лучше. На данном этапе микробы слишком медленно поедают пластик, чтобы оказать хоть какое-то значимое влияние на сокращение отходов.

Улучшить аппетит микробов помогут ферменты-мутанты

К счастью, за последние четыре десятилетия ученые стали удивительно опытными в разработке ферментов и управлении ими. За счет переписывания ДНК, кодирующей фермент, ученые могут настроить ее структуру и функцию, сделав ее более стабильной, что в конечном итоге поможет ей работать быстрее — а значит, бактерия будет с большим аппетитом поглощать пластик.

Элизабет Белл, исследователь из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в Колорадо, как раз занимается разработкой ПЭТаза — фермента, который Ideonella sakaiensis производит для разрушения ПЭТ-пластиков. Белл использует генную инженерию, чтобы подвергнуть участки фермента всевозможным мутациям. В дикой природе мутация фермента может происходить только единожды из каждых нескольких тысяч раз деления бактерий, а в искусственной среде можно получить сотни и даже тысячи потенциально полезных мутантов. Недавно группой NREL был разработан фермент ПЭТаза, способный разлагать ПЭТ во много раз быстрее, чем исходник.

Однако создание подобного фермента-мутанта — процесс очень долгий и трудоемкий. Поэтому поиски идеального микроба-«пластикоеда» продолжаются.

Опыт Франции

Итак, обнаружение новых микробов и работа с ними в лаборатории — это лишь малая часть пути, но не менее важный шаг — это грамотное внедрение микробов, поедающих пластик, в индустрию. Франция этот шаг уже осуществила. С 2021 года французская компания Carbios использует на своем предприятии бактериальный фермент для переработки около 250 кг отходов ПЭТ-пластика каждый день, расщепляя их на молекулы-предшественники, из которых затем производят новый пластик.

Речь идет не о компостировании. Пластик сначала измельчается, а затем пропускается через машину, напоминающую огромный штамповочный пресс, который замораживает его и проталкивает через крошечное отверстие под большим давлением. В итоге пластик выскакивает оттуда в виде гранул или, как их еще называют, «зернышек» размером с кукурузное зерно. На микроскопическом уровне пластиковое зернышко гораздо менее плотное, чем его первоначальная форма. Хотя волокна переработанного пластика не повреждены, они расположены дальше друг от друга и провисают, что дает ферментам бактерий большую площадь для атаки. На выходе под действием ферментов пластик превращается в сероватую жидкость, которая содержит не твердый ПЭТ, а два жидких химиката — этиленгликоль и терефталевую кислоту: вот их-то и отделяют, чтобы превратить впоследствии в новый пластик.

Данную технологию Carbios сумели легко масштабировать. Если два года назад компания перерабатывала в лаборатории несколько килограммов пластика, то теперь — около 250 кг в день! К 2025 году планируется открыть гораздо более крупный завод, способный перерабатывать с помощью микробов более 130 тонн пластиковых отходов в день.

Открытие российских ученых

Российские ученые также исследуют микробы, способные разлагать пластик.

Например, в 2018 году ученые из Института биоорганической химии имени М.М. Шемякина РАН сообщили о своем открытии — бактерии, способной разлагать полиэтилен, самый распространенный и долгоживущий тип пластика в окружающей среде.

Отечественные ученые провели серию экспериментов, в результате которых было обнаружено, что бактерия, получившая название Ideonella sakaiensis 201-F6, способна разлагать полиэтилен на микроскопические частицы.

Однако, как и в случае с японскими исследованиями, эффективность процесса оказалась недостаточно высокой для широкомасштабного использования. Тем не менее, данное открытие может стать важным шагом в разработке новых методов утилизации пластика и заставляет нас задуматься о том, как мы можем более ответственно относиться к окружающей среде и ресурсам нашей планеты.

Спасут ли микробы наш мир от пластика?

Идея более тесного «партнерства» человечества с микробами является очень притягательной. Неужели бактерии действительно избавят нас от пластикового кризиса? Некоторые ученые считают, что технология так и останется ограниченной. Другие эксперты полагают, что многие виды пластмасс, вероятно, никогда не будут эффективно перевариваться ферментами из-за сравнительно огромного количества энергии, необходимого для разрыва их химических связей.

Есть более оптимистично настроенные исследователи, которые предсказывают появление через несколько лет таких бактерий, которые будут способны поедать даже нейлон.

Если эти прогнозы сбудутся, около четверти всего пластика на Земле станет действительно пригодным для вторичной переработки. Так или иначе, большинство ученых из разных стран усердно работают сегодня над созданием мира, в котором ферменты бактерий будут превращать старый пластик в новый, а что из этого получится — покажет время.

По материалам: theguardian.com, ourworldindata.org, oecd.org, nature.com