Как натравить микробы на пластмассу

Сразу несколько лабораторий в разных частях света бьются над созданием живых существ, способных поедать пластик. На кону два вопроса. Кто спасет нас от мусорного засилья — бактерии, грибы или черви? И кто первым добьется технологического прорыва? «Огонек» присмотрелся к шансам России в этой очищающей гонке.

Елена Бабичева

Рекламу первых пластиковых изделий в газетах начала прошлого века сегодня читать жутковато. Вот только один пример: человечество, писали коллеги в начале XX века, вышло за рамки привычного мира, где есть царство растений, животных и минералов; оно создало суперматериал, из которого вырастет… царство пластмассы.

Век спустя восторги сменились на ужас: чтобы это самое царство разрушить, пока мы еще не похоронили себя под слоем пластиковой тары, нужна, похоже, помощь со стороны. Так кто же поможет человечеству справиться с издержками его очередного творения?

Всеядные технологии

Бактерии — разрушители пластика живут в обычных стеклянных банках. Они очень неприхотливы: чтобы поддерживать жизнь колонии, достаточно один раз в три месяца кидать им кусочек полиэтилена. Их создатели — сотрудники НИИ биологии и биофизики Томского госуниверситета — стали одними из первых, кому удалось не просто вывести существ, которые поедают пластмассу, но и получить патент на это изобретение. Впрочем, речь не только о бактериях.

— Мы начинали работать с бактериями,— рассказывает «Огоньку» один из авторов изобретения, старший научный сотрудник НИИ биологии и биофизики ТГУ Владимир Калюжин.— Но сейчас класс биообъектов, которые мы используем для утилизации пластмасс, значительно расширился. Мы используем не только бактерии, но и иные формы жизни, от одноклеточных до растений и дождевых червей. Даже присматриваемся к млекопитающим, хотя тут о конкретных результатах говорить рано.

По словам Владимира Анатольевича, практически к любому виду пластмассы можно подобрать своего разрушителя. Но именно бактерии в этом отношении наиболее универсальны.

— Полимерные материалы на самом деле достаточно распространены в природе,— объясняет ученый.— Например, человеческое тело и древесина тоже состоят из белков. Поэтому есть полимеры, которые для микроорганизмов, так скажем, доступны. А есть искусственные полимеры: они синтезируются технически и с ними микроорганизмам не справиться. Есть жесткий барьер для переработки, который нам удалось преодолеть.

Живые организмы, которые подходят для «работы», томские ученые отбирали путем селекции. В процессе выяснилось: все полимерные материалы по способу распада можно разделить на две большие группы. Исходя из этого весь пластик можно уничтожать разными способами с помощью различных микроорганизмов.

Скажем, обычный полиэтиленовый пакет, который может пролежать в почве сотни лет, по технологии, которую изобрели и запатентовали в ТГУ, распадается за три месяца. По словам биологов, в Китае и Тайване, где они выступали с докладами, к новинке отнеслись без особого интереса, а вот из Западной Европы хорошие отклики. При этом будет ли работать эта технология в России — большой вопрос. Пока это дорого и требует строительства отдельной инфраструктуры.

Что касается рисков, то на вопрос, не уничтожат ли его всеядные бактерии мир, если вырвутся на свободу, Владимир Калюжин отвечает уверенно:

— Бактерии, которые мы используем, безопасны для животных и растений, и это установили органы санитарного контроля. А вырваться наружу они не могут, ведь речь о целой технологии, и, чтобы эти бактерии «заработали», нужен определенный набор инструментов.

Пластиковый мир

К созданию существ, способных бороться с мусором и загрязнениями, ученые приступили недавно. Первым шагом стали колонии бактерий, способных поглощать нефть,— в 2009-м с их помощью впервые в России удалось победить разлив нефти на Ладожском озере. Напомним: тогда из-за незаконной врезки в Балтийскую трубопроводную систему несколько тонн нефти попало в водоем, связанный с Ладожским озером.

Работа над созданием бактерий, способных поедать пластиковые отходы, началась примерно тогда же. Вот только до победных реляций пока далеко — проблема сложнейшая. Сегодня пластиковая упаковка составляет до 40 процентов всего мусора на Земле, при этом перерабатывается десятая часть, а весь остальной пластик оседает на свалках, улицах или на дне океана. В Тихом и Атлантическом океанах из пластиковых отходов образовались целые острова, некоторые получили географическое название: скажем, Большое тихоокеанское мусорное пятно дрейфует между Гавайями и Калифорнией. Сюда океанскими течениями сносит весь мусор, который попадает в океан правдами и неправдами: речь не только о пластиковых пакетах и бутылках, но и рыболовных снастях, окурках, бумаге, обломках бамперов, покрышках... Из-за почти постоянного штиля в этих широтах пластиковый остров, который достиг размеров средней европейской страны, медленно движется в замкнутой акватории.

Такие свалки в океане — катастрофа для животного мира. В старых сетях запутываются морские животные; пластиковые крышки, привлекая внимание птиц и рыб, закупоривают их желудки. Частицы микропластика заглатывают моллюски, мидии, устрицы, которых мы потом дегустируем в ресторанах.

Биологи из Университета Виктории (Канада) подсчитали: основная масса микропластика попадает в организм человека с рыбой и морепродуктами, а также из пресной воды, в том числе при употреблении напитков из пластиковых бутылок. Всего человек поглощает за год до 90 тысяч частиц микропластика. Это не говоря о микроскопических частицах, которые попадают в организм при дыхании. И от этого не спрятаться: частицы микропластика обнаружены даже в Арктике.

Так как же бороться? Одними из первых в 2016 году бактерию, способную поедать пластиковую тару, выявили ученые из КНР (томские ученые представили свою технологию в 2015-м). Поиск был целенаправленный: на стихийных свалках исследователи отбирали пластик, который оказался наиболее поврежденным, и выделили бактерии, обитавшие на этой почве. Затем культуры бактерий высадили на полимерную пленку и наблюдали, каким из них она понравится как «еда». «Гурман» был найден — им оказалась обычная почвенная бактерия Ideonella sakaiensis, которая поедала полиэтилен и разлагала его на воду и углекислый газ. В ходе эксперимента полиэтилен был уничтожен за шесть недель.

А ученые Стэнфордского университета примерно в то же время обнаружили, что одна из разновидностей пластика — пенопласт — по вкусу мучным червям. Лабораторная легенда гласит: исследователи как-то забыли дать корм червям, и те с голодухи съели свои пенопластовые кормушки. Материал они успешно переварили, оставив от него лишь углекислый газ и экскременты, на которых, как оказалось, отлично развиваются разные растения. Правда, ели пенопласт черви неохотно и лишь в отсутствие другой пищи.

— Один из ключевых вопросов в том, чтобы выяснить, что именно в пластиковых изделиях является для бактерий источником питания,— объясняет «Огоньку» завкафедрой прикладной биологии и микробиологии Астраханского технического университета, доктор биологических наук Ольга Сопрунова.— От ответа на него и зависит, какие ферменты будет выделять тот или иной микроорганизм. Поэтому самое важное в проблеме переработки пластика — понять, какие микроорганизмы способны вырабатывать ферменты, необходимые для разрушения химических связей в полимерах, и заставить их действовать так, как нужно нам.

Сотруднице ее кафедры аспирантке Анне Леонтьевой удалось выделить микроорганизмы — астраханская аспирантка обнаружила живых поедателей пластика. Ими оказались микромицеты (плесневые грибы). Чтобы убедиться в своем предположении, Анна поместила полиэтиленовый пакет в воду с примесью почвы и соли, благодаря этим компонентам на нем образовались грибы. Если изучить их под микроскопом, то становится понятно, что грибы, выделяя определенные ферменты, разрушают структуру полиэтилена. Правда, процесс в таких условиях лабораторных «стационарных экосистем» идет крайне медленно: за 8 лет пакет уменьшился лишь на треть.

Таких же «любителей» пластика обнаружили и китайские ученые — уже на помойке и тоже случайно. Исследователей заинтересовало то обстоятельство, что на некоторых свалках полиэтилен как-то быстро утилизировался. И тщательно изучив почву, на которой гнили отходы, они выявили плесневые грибы Aspergillus tubingensis. Лабораторные исследования подтвердили: при взаимодействии с пластиком грибы выделяют ферменты, которые разрушают химические связи в полимерах.

Правда, до внедрения дело не дошло. Во-первых, плесень оказалась капризным созданием: для размножения ей требуется настоящая жара — 36–37 градусов по Цельсию. Но и это не все.

— Генетически грибы хорошо приспосабливаются к пластику и имеют действенные системы для его разрушения,— объясняет Ольга Сопрунова.— Но есть и некоторые недостатки, самый главный — их массовость. Грибы размножаются быстро, и этот процесс требует контроля. В старину дома, в которых появлялась плесень, буквально выжигали, другого способа избавиться от нее тогда не было. Поэтому ключевым вопросом в решении данной проблемы на современном этапе является поиск микроорганизмов, способных продуцировать метаболиты (продукты обмена веществ.— «О»), которые разрушают сложные химические связи синтетических полимеров, созданных человеком.

Кто кого поглотит

Но о настоящем прорыве в области борьбы с пластиком этим летом объявили американские исследователи Миранда Вэнг и Джинни Яо. Еще будучи студентками Университета Британской Колумбии (Канада), они обнаружили штамм бактерий, поедающих пластик (за что им присудили победу в региональном научном конкурсе). Чтобы сконструировать такой микроб в этом году, они уже использовали методы генной инженерии. Итог заставил о себе говорить: пищеварение этой супербактерии разлагает пластик на более простые полимеры и углекислый газ.

В свою очередь, простые полимеры можно использовать и дальше: в качестве еды для бактерий, а также для производства пластика или топлива.

Эта довольно простая технология позволяет перерабатывать полиэтилен — наиболее распространенный пластический материал, который используется при производстве пакетов для мусора и покупок, пузырчатых упаковок и пластиковых бутылок и который десятилетиями остается на свалках в неизменном состоянии. Технология, созданная Мирандой Вэнг и Джинни Яо, сокращает процесс переработки пластика до суток. В перспективе Вэнг и Яо надеются организовать этакий плавучий патрульный реактор, который будет собирать в океане пластик и перерабатывать.

— Сегодня в мире перерабатываются только 9 процентов пластиковой упаковки, — напоминает Миранда Вэнг, ставшая вместе с Джинни Яо в этом году самой юной лауреаткой престижной Перлмановской премии (при этом их стартап по переработке мусора был отмечен премией Forbes в области социального предпринимательства).— Известно, что сегодня некоторые страны сортируют пластиковые отходы, собирают их в огромные тюки и экспортируют в Китай, откуда они попадают уже на другие свалки и на дно океана. Заставить людей перестать использовать пластик практически невозможно, а значит, нужны технологии, которые позволят сделать этот материал биоразлагаемым.

Согласитесь, есть что-то символическое в том, что именно искусственно созданный организм поедает сегодня искусственный материал. Впрочем, многие ученые считают, что спешить с выводами не стоит: вопрос о том, спасут ли биотехнологии нас от мусора, все еще остается открытым.

— Если бы эти методы работали, природа давно уже справилась бы с проблемой без нашей помощи,— говорит «Огоньку» завлабораторией реликтовых микробных сообществ Института микробиологии им. С.Н. Виноградского ФИЦ биотехнологии РАН Николай Пименов.— По большому счету, полиэтиленовый продукт стал массовым не так давно — в 1950–1960-е годы. А это небольшой срок, чтобы микроорганизмы успели адаптироваться к новым условиям. Да, есть штаммы, которые разрушают пластик, но это все примеры лабораторных исследований, на практике это пока не работает — слишком уж проблема масштабна. Хотя, возможно, со временем действительно получится подобрать штаммы генно-инженерными методами, или природа сама сделает это за нас.

К слову, есть и иной подход. Не пытаясь заставить нас отказываться от привычных в обиходе вещей из пластмасс, ученые пытаются создать новый вид пластика. Дело в том, что современный пластик не разлагается из-за особенностей структуры: он состоит из длинных полимерных волокон. В качестве альтернативы ученые предлагают использовать короткие растительные полимеры.

Например, делать пластмассу из крахмала, который является природным полимером и в больших количествах содержится в картофеле и кукурузе. Также проводятся эксперименты по использованию бактерий Alcaligenes eutrophus, которые в процессе жизнедеятельности производят гранулы органического пластика. Гены этих бактерий внедрили в хромосомы растений, чтобы те производили пластик внутри себя. По сути, пластик надеются выращивать.

Впрочем, поиск альтернативы — это надолго. Пока ученые ищут замену пластику, мир жаждет быстрых решений. За последние несколько лет свыше 40 стран установили различные ограничения в использовании пластиковых пакетов на законодательном уровне. В 2021-м Европа полностью откажется от одноразовых продуктов из пластика: это и посуда, и соломинки, и ватные палочки и т.д. К 2025 году ожидается, что каждая четвертая пластиковая упаковка будет произведена из вторсырья, а к 2030-му — и каждая третья. Тогда же сбор бутылок должен достигнуть 90-процентного уровня. Такой документ ЕС принял в начале этого года. Аналогичные нормы приняли некоторые штаты США. В Китае, который экологи называют лидером по загрязнению Мирового океана, еще в 2008-м запретили в магазинах бесплатные одноразовые полиэтиленовые пакеты, а тонкие пакеты теперь не будут и производить. Но есть страны, где еще строже: например, в Кении тех, кого увидят с полиэтиленовым пакетом, ждет штраф до 38 тысяч долларов или четыре года тюрьмы.

А что же Россия, где, по данным экологов, промышленность производит порядка 26,5 млрд пластиковых пакетов (как подсчитал Гринпис, ими можно накрыть территорию Москвы в четыре слоя)? Понятно, что надо пересматривать потребительские привычки, но вряд ли тут поможет забытый советский опыт, когда стирали-сушили дефицитные полиэтиленовые пакеты, а пластиковые коробочки многократно использовались под рассаду. Сегодня у нас вслед за другими странами разрабатывают нормы по запрету одноразовой пластиковой посуды. Есть предложения ввести за нее экологический сбор. Пока все это только проекты, но опрос, проведенный в конце прошлого года среди россиян, показал, что лишь каждый шестой респондент готов отказаться от одноразовой упаковки. Это значит, что пластиковые свалки у нас будут только расти — если, конечно, на помощь не придут супербактерии.