В мире накоплено более 8 млрд тонн пластика
Проблема накопления пластиковых отходов заметна невооруженным глазом. Куда бы мы ни отправились, в центр города или в лес, пластик повсюду. По оценкам специалистов во всем мире с 1950 по 2015 годы было произведено свыше 8 миллиардов тонн пластика, из которых две трети оказались на свалке. Такие объемы производства объясняются свойствами этого материала.
Пластик крайне полезное в хозяйстве и удобное вещество: химически нейтрален, не проводит электричество, при нагревании ему легко придать нужную форму. Львиная доля всего производимого пластика приходится на всевозможную тару и упаковку, которая в товарном обороте остается в среднем около 4 лет. А вот тут уже начинаются проблемы.
Микрочастицы пластика попадают в организм человека с водой, едой и воздухом, но кажется не приносят вреда
Изделия из пластика сохраняются в окружающей среде сотни лет практически в неизмененном виде (возможно, что и тысячи, но пока не было возможности это проверить). Если пластиковая тара распадается на мелкие частички, то легче от этого не становится. Если вы возьмете что угодно – водопроводную воду, морскую соль, городскую пыль – и посмотрите на это под микроскопом, то с высокой долей вероятности обнаружите микрочастицы пластиковых волокон.
Да, мы с вами уже несколько десятилетий каждый день проглатываем с водой и пищей, вдыхаем с воздухом микрочастицы пластика. Осторожная оценка Всемирной организации здравоохранения по состоянию на 2019 год сводится к тому, что явных свидетельств какого-то ни было вреда попадания в организм человека микропластика не выявлено. Большинство микроволокон пластика, попадая в организм человека, вероятно, сохраняют инертные свойства и не принимают участия в обмене веществ.
Утилизация миллиардов тонн пластиковых отходов задача не тривиальная. Простое сжигание могло бы решить проблему, но при этом в атмосферу выделится огромное количество вредных веществ (на что еще можно закрыть глаза) и самое главное – парниковых газов, чего современная климатическая повестка, мягко говоря, не приветствует. Какой же выход?
Бактерии - естественные утилизаторы полимеров
Ученые поломали голову над этим вопросом и решили поискать решение в природе. Дело в том, что по своей химической структуре молекулы пластика являются так называемыми полимерами, то есть состоят из множества одинаковых молекул, соединенных в длинные цепи. В природе аналогичным образом устроены молекулы целлюлозы, которые придают прочность клеточным стенкам растений. Так сложилось, что способные расщеплять целлюлозу ферменты появились только у грибов и бактерий. Даже коровы и лошади в состоянии питаться сеном лишь потому, что в их кишечнике есть особый отдел, в котором измельченное сено подвергается переработке специализированными симбиотическими микроорганизмами.
Так что осталось поискать свободноживущих бактерий и симбионтов насекомых, способных питаться пластиком.
Японцы выделили штамм бактерии, питающейся ПЭТ бутылками
Японские ученые покопались в почве вокруг завода по переработке ПЭТ бутылок в поисках бактерий, способных разрушать этот пластик. ПЭТ (полиэтилентерефталат) получают методом синтеза полимера из этиленгликоля и терефталевой кислоты. Найденная бактерия Ideonella sakaiensis 201-F6 оказалась в состоянии расщеплять полимер ПЭТ до его исходных компонентов и далее, используя пластик в качестве основного источника энергии и углерода. Эта бактерия выделяет сразу два фермента, один из которых японцы назвали ПЭТазой. Впрочем, естественный фермент обладает низкой активностью, недостаточной для того, чтобы его можно было применять в промышленных масштабах.
Иногда и вредитель полезен: восковая моль расщепляет полиэтилен
В 2017 году кооперация британских и испанских ученых опубликовала небольшую, но интересную статью о способности большой восковой моли Galleria mellonella (пчелиной огневки) расщеплять полиэтилен (из которого изготавливают обычные пакеты). Ученые изучали восковую моль, как вредителя пчеловодства (гусеницы моли питаются стенками пчелиных сот), и случайно обнаружили, что гусеницы и даже куколки этой моли проделывают дыры в полиэтиленовых пакетах, в которых их переносят.
В ходе дальнейшего исследования выяснилось, что даже гомогенат (перетертые до состояния однородной массы гусеницы) восковой моли при контакте с пластиковым пакетом образовывал этиленгликоль, то есть продукт расщепления полиэтилена. В дальнейшем эти исследования подверглись некоторой критике в научном сообществе, кроме того сама моль является серьезным вредителем пчеловодства, так что разводить ее никто не планирует.
Еще один вредитель - мучной хрущак - пока что самый перспективный пластикоед
Наверное, самые интересные эксперименты по поеданию пластика провели на личинках мучного хрущака Tenebrio molitor американские ученые. Мучной хрущак хорошо известен в качестве вредителя, поедающего муку и прочие хлебопродукты. Личинки этого жука культивируют как корм для зоомагазинов и домашних террариумов, и даже предлагают космонавтам в качестве источника белка при будущих полетах к дальним телам Солнечной системы.
То, что мучной хрущак способен прогрызать пластиковые пакеты, было известно давно, но оказалось, что личинки этого жука могут питаться вообще одним только пластиком.
Более того в лабораторных условиях был изучен процесс биологического накопления жуками токсичного для животных гексабромциклододекана – антипирена, добавляемого в полистирол для придания огнеупорных свойств.
Эффект биологического накопления вредных веществ при продвижении вдоль пищевой цепи хорошо изучен. В результате этого эффекта концентрация вещества в теле хищного или всеядного животного может в тысячи раз превышать концентрацию в окружающей среде.
Так, после обработки водоема пестицидами, их концентрация в воде обычно бывает в пределах допустимой нормы. Живущие в воде одноклеточные организмы (фитопланктон) в процессе питания пропускают через свои тела объемы воды, многократно превышающие их по массе. При этом пестициды задерживаются в тканях фитопланктона, то есть, как бы отфильтровываются из воды, так что их концентрация в телах живых организмов становится выше, чем в окружающей среде.
Далее, фитопланктон поедается зоопланктоном – небольшими ракообразными, вроде дафний или коловраток, которыми аквариумисты кормят своих рыбок (сухой корм). За свою недолгую жизнь дафния съедает множество клеток фитопланктона, так что концентрация пестицидов в ее теле еще более возрастает. Зоопланктон поедается мелкой рыбой, которую едят более крупные виды хищных рыб, околоводные птицы и другие хищники, а всех вместе с удовольствием употребляет в пищу человек.
Словом, чем длиннее пищевая цепь, тем токсичнее становится каждое последующее звено. Благодаря этому эффекту в относительно чистой воде может водиться рыба, которую просто опасно употреблять в пищу. Вероятно, люди всегда догадывались о чем-то таком, так что в большинстве культур не принято есть хищных животных.
Эксперимент американских ученых показал, что в тканях хрущака содержалось лишь 0,27% от объема скормленного насекомым антипирена. Причем со временем концентрация гексабромциклододекана в телах хрущаков не повышалась. Далее питавшихся таким образом хрущаков скармливали креветкам Litopenaeus vannamei, которых люди часто разводят в пищу. Никаких признаков дополнительной смертности креветок, питавшихся выращенными на полистироле мучными хрущаками, зафиксировано не было. Впрочем, авторы исследования предупреждают, что влияние питания полистиролом на окружающую среду требует дальнейших углубленных исследований.
Российские ученые не отстают
Российские энтузиасты из технопарка «Якутия» разработали «экологичный стартап» по разведению насекомых-пластикоедов. Конечной целью проекта под названием «Ксенос» заявлено выделение из кишечной микрофлоры Zophobos morio (родственник мучного хрущака) бактерий-симбионтов, расшифровка их ДНК с последующим созданием искусственного фермента для переработки пластиковых отходов промышленным способом.
А пока гражданам предлагают приобрести Ксенобокс – специальное устройство для биоразложения пластиковых отходов в домашних условиях. Звучит хорошо, но на деле Ксенобокс представляет собой самый обыкновенный культиватор зофобоса, ничем не отличимый от тех, что используют в зоомагазинах, зоопарках и домашних террариумах. Куда девать продукты такой переработки, нести на свалку или смывать в канализацию, не понятно, как непонятно и то не несет ли это вред окружающей среде, учитывая проблему циркуляции микропластика.
Подытоживая вышеприведенные истории можно констатировать, что до реального решения проблемы утилизации отходов пластика при помощи биотехнологических методов еще далеко. Во всяком случае, не стоит бояться, что какие-нибудь чудо бактерии растворяющие пластик или жуки, поедающие все подряд от пластиковых окон до пластиковых труб, в ближайшее время вырвутся из лаборатории и все съедят.
Источники:
- Yoshida Sh. et al. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate) // Science. – Vol. 351 (6278). – P. 1196-1199. DOI: 10.1126/science.aad6359
- Brandon A. et al. Fate of Hexabromocyclododecane (HBCD), A Common Flame Retardant, In Polystyrene-Degrading Mealworms: Elevated HBCD Levels in Egested Polymer but No Bioaccumulation // Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 1, P. 364–371. doi.org/10.1021/acs.est.9b06501
- Bombelli P, Howe CJ, Bertocchini F. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella. Curr Biol. 2017 Apr 24;27(8):R292-R293. doi: 10.1016/j.cub.2017.02.060. PMID: 28441558.
- Microplastics in drinking-water: World Health Organization; 2019. Licence: CC BY-NC-SA 3.0 IGO
