Решат ли микроорганизмы проблему пластикового загрязнения

Правда ли, что микроорганизмы и насекомые уже научились разлагать пластик? Как они это делают? Значит ли это, что можно не переживать о пластиковом мусоре и предоставить им разобраться с проблемой? Ответы на эти и другие вопросы — в колонке Сакины Зейналовой, химика, специалиста по полимерам, автора книги «Яды: вокруг и внутри» и телеграм-канала Sakina.

О проблеме пластикового загрязнения

Пластик плотно вошёл в нашу повседневную жизнь: упаковка продуктов и товаров, мебель, игрушки, гаджеты, даже одежда производятся из полимерных волокон. Потребление синтетических полимеров, и пластиков в частности, растет, как и количество сфер, где их используют. Согласно данным на конец 2024 года, ежегодно во всём мире производится 430,9 млн т пластика, а вторично перерабатывается менее 10%.

Тонны пластикового мусора оказываются на полигонах. Разрушаясь до более мелких частиц, он оказывается в почве, грунтовых водах и Мировом океане. Это значит, что с ним контактирует не только человек во время использования, но и другие живые организмы: животные, рыбы, насекомые, грибы и бактерии. Однако данный контакт не приносит пользы никому из них. Но пока люди разрабатывают методы вторичной переработки и утилизации пластмасс, природа тоже не отстаёт. И сейчас у науки есть несколько свидетельств того, как мельчайшие организмы адаптировались к пластиковому загрязнению.

Как микроорганизмы перерабатывают пластик

Разрушение пластиков происходит под действием ультрафиолетовых лучей, изменения температур, механического истирания, влаги и биологических факторов. Деградация пластика естественным путём под воздействием микроорганизмов (бактерий, грибов, водорослей) и насекомых называется биологической. Она возможна, если у живых существ есть ферменты, способные разрушать связи в молекуле полимера.

Тут важно пояснить, что пластики состоят из полимеров, добавок и иногда — наполнителей. Все пластики — полимеры, но не все полимеры — пластики. Пластики — это не единая субстанция, они имеют разный химический состав и различаются по физическим свойствам, поэтому важно уточнять, о каком именно пластике идёт речь.

Ключевые условия биологической деградации:

• наличие шероховатой поверхности материала (это необходимо для заселения микробиоты),
• совместимость условий среды (температура около 30–40°С, pH около 5–8, влажность),
• подходящий молекулярный вес и химическая формула самого материала (чем больше функциональных, то есть активных, групп в молекуле полимера, тем больше вероятность, что против них найдётся подходящий фермент),
• наличие у микроорганизмов подходящих ферментов, способных разрушать химические связи в молекуле пластика.

Биологическое разложение с помощью микроорганизмов, или микробное разложение, обычно проходит в несколько этапов. Вот что происходит с полиэтиленовой плёнкой в кислородной среде:

• Биодеструкция. Под действием ферментов микроорганизмов или ультрафиолета на поверхности полиэтилена появляются карбонильные группы. Это первые признаки окисления. Постепенно они превращаются в карбоновые кислоты, делая материал более уязвимым к разрушению.
• Биофрагментация. Ферменты разрушают длинные углеродные цепочки полимера на более короткие фрагменты, пригодные для усвоения клетками микроорганизмов.
• Биоусвоение. Микроорганизмы поглощают полученные фрагменты и используют их как источник углерода и энергии, превращая в компоненты собственной биомассы.
• Минерализация. В клетках микроорганизмов продукты распада окончательно разрушаются до углекислого газа и воды.

С чего началась история переработки пластика бактериями

Одно из первых упоминаний о способности бактерий разрушать пластик было опубликовано японскими учёными в 2016 году. Они обнаружили, что бактерия Ideonella sakaiensis способна использовать полиэтилентерефталат (PET, 01), который широко используется для производства одноразовых бутылок для напитков, в качестве источника энергии. Обладая двумя ключевыми ферментами, PETase и MHETase, бактерия способна расщепить PET до веществ, из которых он изначально был создан (их называют мономерами). В более поздних экспериментах выяснилось, что Ideonella sakaiensis за семь недель способна снизить до 96% веса PET-материала. Также учёным удалось выделить ферменты бактерии и модифицировать их, увеличив их активность в три раза.

Пластиковая диета бактерий

Но широко известный штамм бактерий Ideonella sakaiensis далеко не единственный, кто включил полимерные молекулы в свою пищевую цепочку. У каждого своя схема их разрушения: кто-то приспособился разрушать связи, оставляя лишь мономерные молекулы, а какие-то типы утилизируют пластик на углекислый газ (CO2) и воду.

Известно, что бактерия Pseudomonas aeruginosa, обитающая в кишечнике суперчервей, способна разрушать полиэтилен (PE, 02), полистирол (PS, 06) и полипропилен (PP, 05). Процесс этот происходит медленно: ежедневная потеря массы для каждого полимера соответственно показала 0,64%, 0,098% и 0,025%. Bacillus cereus, встречающийся в мангровых зарослях Малайзии, привёл к потере веса 1,6%, 6,6% и 7,4% для PE, PET и PS соответственно за 40 дней. А Alcanivorax borkumensis из Средиземного моря может снижать вес плёнок из полиэтилена низкой плотности (LDPE, 04) в 3,5% после 80 дней воздействия.

Грибы играют не менее важную роль в деградации пластика в окружающей среде: обладая нитевидной сетевой структурой и разрастаясь, они проникают в места, куда другим микроорганизмам трудно добраться. Грибы часто имеют более мощный по сравнению с бактериями ферментный арсенал, способный атаковать сложные полимеры, например полиуретан (PU) и полиэфиры. Особенно отличился гриб Zalerion maritimum, выделенный из прибрежных вод Португалии и разлагающий до 56% массы микропластика из полиэтилена за две недели.

И это не единичные случаи. В отчётах всё чаще упоминаются микроорганизмы, способные получать энергию из различных видов пластиков: от полиэтилена до поливинилхлорида (PVC, 03). Но эта суперспособность передаётся и дальше — к червям и насекомым.

Могут ли насекомые и личинки разлагать пластик

В последние годы обнаружено немало доказательств того, что некоторые насекомые и их личинки способны разлагать различные виды пластика благодаря совместной работе собственных ферментов и микробиоты кишечника.

Механизм разложения пластика червями и насекомыми:

1. Механическое измельчение — личинки прогрызают пластик, делая его более доступным для микробиоты.
2. Работа ферментов и микробиоты — кишечные бактерии и ферменты личинок разрушают полимерные цепи.
3. Образование новых соединений — в процессе разложения образуются более мелкие молекулы и новые органические группы.

Жёлтый мучной червь (Tenebrio molitor) — одна из наиболее изученных моделей живого организма, способного переваривать пластик. Он делает это с помощью кишечных бактерий и собственных ферментов и способен выживать на такой диете всю жизнь. В одном из исследований было установлено, что за 58 дней эксперимента степень снижения массы составила 46,5% для PS, 41,0% и 53,2% для PU разных типов и 69,7% для PE. Выглядит впечатляюще, но в перерасчёте получается около 0,0052 г каждого пластика на одного мучного червя, что ничтожно мало.

Суперчерви Zophobas atratus могут поедать пенополистирол (более известный как пенопласт), в этом им помогают бактерии, населяющие их кишечник (о них было упомянуто выше). При этом суперчервь чувствует себя отлично, даже если это основной рацион его питания. До 36,7% поглощённого пенополистирола было преобразовано в CO2 в течение 16-дневного испытания.

Восковая моль Galleria mellonella и Achroia grisella, а вернее её личинки, тоже прекрасно адаптировалась к пластику вокруг и включила его в свой рацион. Так стало известно, что она справляется и с полистиролом (PS) и полиэтиленом (PE). Дождевые черви тоже способны измельчать пластик до микроскопических частиц (того самого микропластика), но ещё не научились добывать из них энергию и разлагать молекулы полимеров.

Возникает вопрос: почему более крупные живые организмы ещё не умеют перерабатывать пластик? Всё дело в скорости сменяемости поколений и адаптивности. Микроорганизмы способны быстрее мутировать, обмениваться генами и вырабатывать новые инструменты для выживания.

Решат ли бактерии и личинки проблему пластикового загрязнения

Как бы оптимистично ни выглядела вышеописанная картина, нужно быть реалистами. Ни бактерии, ни грибы, ни даже насекомые не решат проблему всё растущего числа пластиковых отходов. Мы привели немало цифр, и все они указывают на чрезвычайно низкую скорость биодеградации пластмасс. Согласно некоторым смелым подсчётам, чтобы переварить 1 т полиэтилена (PE) потребуется от 4 до 10 т личинок мучного червя и/или восковой моли. При этом сроки разложения и себестоимость процесса проигрывают классическим методам вторичной переработки пластмасс. 100 жёлтых мучных червей могут съесть одну медицинскую маску весом около 3 г лишь за 138 дней, а 150 личинок G. mellonella за 21 день могут утилизировать 0,88 г полиэтилена или 1,95 г полистирола. Не очень впечатляющие данные, не так ли?

Есть ли альтернативы разложению пластика с помощью микроорганизмов

Хотя биоразложение пластика не решит проблему за нас, есть более эффективные способы обращения с отходами.

Один из них напоминает работу Ideonella sakaiensis. Это химическая переработка. В процессе пластик расщепляется на более мелкие молекулы, порой возвращаясь к исходным мономерам, с помощью растворителей, катализаторов и гидролиза. Такой подход не просто измельчает материал, а возвращает ему химическую исходную точку, создавая реальный замкнутый цикл. Однако, как и в случае с микроорганизмами и насекомыми, этот метод энергозатратный и дорогой.

Основным методом, возвращающим полимеры в цикл, по-прежнему остаётся классическая механическая переработка. Как обстоят дела с переработкой в России, сколько предприятий этим занимается и почему одни отходы легко превратить в новые вещи, а другие — сложно или даже пока невозможно? Об этом и многом другом читайте в колонке Ирины Жасминовой, эксперта экологического движения «РазДельный Сбор» в Москве.