Ученые НовГУ экспериментально проверили, насколько крупные личинки жука Zophobas morio (те самые, что любят снимать в фильмах ужасов), могут поедать пенопласт. Оказалось, что никакого химического разложения не происходит. Вместо этого насекомые просто дробят материал, превращая его в микроскопические частицы. Вывод важен для оценки реального потенциала использования насекомых в переработке пластика, а также для понимания рисков, связанных с накоплением микропластика в экосистемах.
Авторы работы ученые НовГУ, сотрудники Центра исследования проблем микропластика — Иван Зорин, Павел Челушкин, Анастасия Бурмистрова, Сергей Люлин. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymer Science.
Несмотря на то, что токсичность микропластика не является до конца доказанным явлением, проблема накопления таких отходов стоит остро. Общемировой объем производства синтетических полимеров сегодня составляет более 400 миллионов тонн в год. Половина этого количества используется для производства упаковки. При этом повторно перерабатывается лишь незначительная часть — менее 15 процентов. Основная масса пластиковых отходов сжигается, попадает на полигоны или же, что особенно тревожно, рассеивается в окружающей среде. До 10 миллионов тонн пластика ежегодно попадает в океан, сопоставимые объемы загрязняют и наземные экосистемы.
Особую сложность представляет переработка пенополистирола (пенопласта) — легкого и объемного материала, который повсеместно используют в упаковке. В последние годы в научной литературе появились обнадеживающие сообщения о том, что некоторые насекомые — особенно личинки жуков — могут разрушать такой материал.
— Одна из рассматриваемых нами научных статей рассказывает о том, что микробиом в кишечнике Zophobas morio способен к деградации пенопласта. Это породило надежду на создание биологических методов утилизации, — рассказывает Анастасия Бурмистрова.
Личинок Zophobas morio называют суперчервями и часто используют в качестве корма для животных, а также «реквизита» для фильмов ужасов из-за их устрашающего внешнего вида. Ученые из НовГУ и СПбГУ решили проверить гипотезу о разложении пластика такими насекомыми и провели собственный эксперимент. Для него использовали личинок и куски бытового пенопласта. Насекомых разделили на три группы. Первую кормили только овсяными отрубями, вторую — смесью отрубей и пенопласта, а третью — исключительно пенопластом. Наблюдение за личинками продолжалось в течение трех недель.
Оказалось, что насекомые действительно активно взаимодействовали с пенопластом, прогрызая в нем сложные системы ходов и туннелей. При этом наибольшую активность проявляли личинки, дополнительно получавшие нормальное питание — отруби. Те же, кто сидел на диете из одного пенопласта, строили туннели в пенопласте не так интенсивно и не стремились окукливаться. Косвенно это указывало на то, что насекомые голодают и берегут силы для выживания.
Чтобы проверить это, ученым, в первую очередь, необходимо было выяснить — меняется ли химическая структура полистирола после контакта с личинками. Для проверки они применили комплекс современных аналитических методов: инфракрасную (FTIR) и Рамановскую спектроскопию, ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) и гель-проникающую хроматографию (ГПХ).
В случае первых двух способов образец облучают инфракрасным или лазерным излучением, и по тому, как он поглощает или рассеивает это излучение, определяют, какие химические связи в нем присутствуют. ЯМР показывает, как именно атомы водорода в полистироле связаны с атомами углерода и не появились ли новые, посторонние группы атомов. ГПХ работает как молекулярное «сито», разделяя молекулы полимера по размеру и позволяя точно измерить их молекулярную массу.
Спектры измельченного личинками полистирола полностью совпали со спектрами исходного, нетронутого материала. Не было обнаружено ни новых химических групп, ни признаков окисления. Данные ГПХ подтвердили, что молекулярная масса полимера не уменьшилась, то есть длинные цепи полистирола не были разорваны ни в процессе пережевывания, ни при возможном прохождении через кишечник. Единственным изменением стал физический размер частиц: крупные куски пенопласта превратились в мелкую крошку и пыль, то есть в микропластик.
— Мы также взвешивали личинок до и после эксперимента. Насекомые, которые ели отруби, показали наибольший средний привес — 0,092 грамма на особь. У тех, кого кормили смесью отрубей и пенопласта, этот показатель оказался на уровне — 0,096 грамма. И лишь личинки, питавшиеся только пенопластом, добавились всего 0,042 грамма. То есть они почти не росли, а, значит, не использовали полистирол в качестве пищи, — рассказала Анастасия Бурмистрова.
Исследование не подтвердило гипотезу о биодеградации пенопласта насекомыми. Вместо поедания пластика, личинки просто механически дробили его. Поэтому ученые считают, что их нельзя использовать в качестве способа утилизации полистирола. Более того, они могут даже нести угрозу, разрушая материал и превращая его в потенциально опасный микропластик.
— Мы считаем бесперспективным использовать макроорганизмы для решения проблемы пластикового загрязнения. Если говорить о биологических способах утилизации, то для этой цели лучше подходят микроорганизмы, те самые штаммы, которые могут быть в кишечнике личинок, или почвенные бактерии. Но даже этот путь должен начинаться с развитой культуры обращения с отходами полимеров. Чтобы их перерабатывать, отходы нужно грамотно собирать. А вот выпуск в биосферу организмов, способных поедать пластик может обернуться для нас катастрофой, — подытожила учёный.