Бактерии едят пластик, но смогут ли заменить обычную переработку? Биотехнологии и экология

По оценкам ассоциации Plastics Europe, в 2022 году во всем мире было произведено 400,3 млн тонн пластика. При этом, согласно отчету ОЭСР, на переработку отправляются только 9% образовавшихся за год пластиковых отходов — остальные сжигаются, оказываются на полигонах и попадают в окружающую среду, где разлагаются десятилетиями.

Это не значит, что от пластика нужно отказаться. Он во многом удобнее натуральных аналогов, а если следовать принципам ответственного потребления и перерабатывать отходы, — еще и экологичнее. Но пока культура переработки в мире развита недостаточно, поэтому ученые и экоактивисты ищут дополнительные способы утилизации пластика. Один из вариантов — использовать бактерии, которые питаются пластиком и расщепляют его. В статье рассказываем, что это за бактерии и могут ли они заменить обычную переработку.

Какие бактерии могут
переработать пластик

О существовании таких бактерий известно как минимум с 2001 года — тогда японские ученые обнаружили микроорганизмы, которые расщепляли пластик и перерабатывали его в питательные вещества. В тот момент это открытие не вызвало особого интереса. Но теперь таким исследованиям уделяют намного больше внимания.

Сейчас ученые знают о нескольких видах бактерий, которые могут питаться пластиком или разлагать этот материал. Приведем несколько примеров.

Ideonella sakaiensis

Та самая бактерия, которую японские ученые нашли еще в 2001 году. Они опубликовали свое исследование только спустя 15 лет, в 2016 году, и эта работа сразу привлекла всеобщее внимание. Оказалось, что у Ideonella sakaiensis есть два особых фермента —петаза и метаза. Благодаря им бактерия может расщеплять полиэтилентерефталат (ПЭТ) и получать из него энергию. В результате пластик распадается на терефталевую кислоту и этиленгликоль — безвредные для окружающей среды вещества.

Авторы работы сообщали, что Ideonella sakaiensis может переработать тонкую ПЭТ-пленку за шесть недель. Но процесс удалось ускорить. В 2018 году ученые из Портсмутского университета добились того, что ферменты, которые использует Ideonella sakaiensis, стали разлагать пластик всего за несколько дней. Похожие эксперименты проводятся, например, и в американской Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии. Ученые подвергают ферменты мутациям и тестируют результат на пластике. Созданный таким образом фермент разлагает пластик в несколько раз быстрее, чем природный.

Бактерии в личинках насекомых

Личинки некоторых видов насекомых способны поедать пластик. Например, в 2014 году китайские ученые обнаружили, что личинки индийской моли (Plodia interpunctella) могут питаться полиэтиленом. Оказалось, что в кишечнике этих личинок есть два штамма бактерий, которые разлагают пластик. Бактерии поместили на полиэтиленовые пленки на 28 дней, и за это время на пленках появились заметные повреждения, а водонепроницаемость снизилась. Несмотря на многообещающие результаты, исследования не получили продолжения.

Более перспективны в этом контексте личинки восковой моли (Galleria mellonella). Они могут питаться как полиэтиленом, так и некоторыми другими видами пластика. Однако последние исследования показывают, что роль бактерий здесь не так велика, как роль ферментов, которые вырабатывают сами насекомые.

Бактерии из листового компоста

В 2020 году ученые из Университета Тулузы предложили новый способ переработки пластика с помощью бактерий. Они тестировали различные ферменты на ПЭТ-пластике и обнаружили, что эффективнее всего такой материал разлагает кутиназа, которую вырабатывают микроорганизмы в листовом компосте.

После дальнейших экспериментов исследователи получили усовершенствованный вариант фермента, который в течение 10 часов расщепляет до 90% ПЭТ. Из полученных мономеров можно снова изготовить, например, пластиковую бутылку. Такой вторичный пластик по качеству не будет уступать исходному материалу.

Микроорганизмы из желудка коров

В 2021 году австрийские исследователи обнаружили, что жидкость из желудка крупного рогатого скота способна разлагать пластик. Они взяли образцы из рубца — это самый большой отдел желудка, где переваривается пища. Оказалось, что микроорганизмы рубца производят ферменты — эстеразу, липазу и кутиназу, — способные разрушать молекулярные связи в полимерах.

Ученые проводили эксперимент с тремя видами пластика:

ПЭТ, из которого чаще всего делают бутылки и другую упаковку;
ПБАТ — биоразлагаемый пластик, из него также делают упаковку;
ПЭФ — по своим свойствам похож на ПЭТ, но производится из растительного сырья.

В течение 72 часов ферменты воздействовали на пластиковый порошок, а затем столько же времени на пленку. Результаты показали, что в обоих случаях эти вещества разлагают все три пластика — правда, полностью за это время не разложился ни один образец. При этом на ПЭФ ферменты подействовали сильнее всего.

Бактерии, которые разлагают пластик при низких температурах

Эксперименты, о которых мы рассказали выше, и другие подобные исследования чаще всего проводились при температуре от 20 °C. Это было серьезным ограничением: в северных регионах температура окружающей среды обычно ниже — следовательно, для переработки с помощью бактерий нужно создавать специальные условия. Похожая ситуация с морями и океанами: при низких температурах и в соленой воде микроорганизмы не разлагают пластик.

По крайней мере, так считалось раньше. Но в 2023 году появились новые возможности:

Ученые из Швейцарии обнаружили 34 штамма бактерий и грибов, способные разлагать пластик при температуре 15 °C. Исследователи тестировали, насколько это эффективно для 8 видов пластика. Два штамма, Neodevriesia и Lachnellula, расщепляли все виды, кроме полиэтилена. Благодаря этому открытию можно будет выявить и усовершенствовать ферменты для разложения пластика при низких температурах.
Исследователи из Университета Хоккайдо нашли бактерию Vibrio ruber, которая может разлагать PBS-пластик в соленой воде. PBS — это биоразлагаемый материал, из него делают, например, упаковку и мульчирующие пленки. Его можно компостировать, но в море он разлагается плохо. Ученые предполагают, что ферменты Vibrio ruber могут значительно ускорить этот процесс.
В Королевском институте по исследованию моря (Нидерланды) обнаружили, что бактерии Rhodococcus ruber могут буквально переваривать пластик в морской воде. В результате образуется углекислый газ и другие безвредные для окружающей среды вещества. Правда, по оценкам ученых, такие бактерии могут расщеплять лишь около 1% доступного им пластика в год.
В Университете Северной Каролины создали бактерию, способную расщеплять ПЭТ в море и океане. Это гибрид двух бактерий: Vibrio natriegens, которая быстро размножается в морской воде, и Ideonella sakaiensis — о ней мы рассказывали выше. Исследователи полагают, что такой микроорганизм сможет разложить ПЭТ примерно за 24 года. Это намного быстрее, чем распад в естественной среде, однако ученые ищут способ дополнительно ускорить процесс.

Могут ли бактерии заменить переработку пластика

В ближайшем будущем, вероятно, нет. Несмотря на полученные многообещающие результаты, у утилизации пластика с помощью микроорганизмов есть ряд ограничений:

Стоимость. Механическая или химическая переработка пластика пока остается более рентабельной, чем использование бактерий.
Ограниченное применение. Технологии разложения пластика, основанные на бактериальных ферментах, чаще всего разрабатываются и проверяются на ПЭТ. Однако есть и другие, более стойкие виды пластика, в том числе ПВХ и полистирол: насколько эффективны бактерии в их случае, пока неясно.
Использование природных ресурсов. Ученые только начинают исследовать микроорганизмы, способные расщеплять пластик при низких температурах или в соленой воде. В остальных случаях для переработки нужны особые условия: например, высокая температура, дополнительные питательные вещества для бактерий, получающих энергию не только из пластика. Создать такие условия можно в лаборатории или на промышленном предприятии — но понадобится тепловая энергия, а значит, вырастут объемы выбросов в окружающую среду.

Подведем итоги

Ученые и экологи постоянно ищут новые способы переработки пластика. Использование микроорганизмов и их ферментов — одно из перспективных направлений. Уже известны несколько штаммов, которые могут достаточно быстро разлагать разные виды пластика, однако пока значительная часть экспериментов не выходит за пределы лабораторий. Стоимость и ограниченность в применении пока не дают им стать по-настоящему массовыми. Поэтому наиболее эффективными остаются традиционные способы переработки пластика. Перспективной считается технология химического рециклинга, которая позволяет перерабатывать полимерные отходы в новые виды пластика или другие продукты нефтехимии, такие как топливо.