Биохимические решения проблемы пластикового замусоривания Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 542.06

К. А. Дроздов, В. В. Куриленко

БИОХИМИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ ПЛАСТИКОВОГО ЗАМУСОРИВАНИЯ

В статье изложены примеры биохимических и биологических решений проблемы борьбы с пластиковыми отходами. Приводятся результаты собственных наблюдений утилизации пластика личинками восковой моли Galleriamellonella (Linnaeus, 1758), и конкретизируется возможность использования этого вида насекомых для переработки мелкодисперсного полиэтиленового мусора, наиболее сложного для утилизации.

Ключевые слова: утилизация пластика, биополимеры, биопереработка, микробиология.

Повсеместное использование пластика, а главное, недостаточная вторичная переработка отходов пластикового сырья привели к тому, что проблемы вырубки лесов, загрязнения водоёмов промышленными стоками, а также загрязнения воздуха становятся менее злободневными, чем загрязнение пластиковыми отходами. Вырубленные леса имеют механизмы самовосстановления, органические загрязнители перерабатываются различными организмами, от бактерий до моллюсков и рыб, атмосферный воздух очищается зелёными насаждениями, аккумулируется частицами атмосферной влаги, участвующей в круговороте воды в природе. Отходы же из пластика только накапливаются и практически не разлагаются автономно. Удивительно, что проблеме с пластиковыми отходами не более 50 лет, однако она уже приобрела масштабы катастрофы, особенно в последние десятилетия, когда пластик стал использоваться массово. Свалки заполнены миллионами тонн пластиковых отходов, воздух загрязняется при их сжигании, в Тихом океане уже существует целый мусорный континент, площадью превышающий 1000 000 квадратных километров. Под воздействием солнечной радиации происходит разложение полимерных структур на микрочастицы, которые, в свою очередь, адсорбируют вредные примеси, а затем включаются в пищевые цепочки.

Одна из проблем, которые усложняют вторичное использование пластиковых отходов, в том, что существует большое количество раз-

Дроздов Константин Анатольевич — кандидат биологических наук, научный сотрудник (Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН, Владивосток, Россия); e-mail: drovsh@yandex.ru.

Куриленко Валерия Валериевна — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН, Владивосток, Россия); e-mail: valerievk141075@gmail.com.

© Дроздов К. А., Куриленко В. В., 2019

29

личных типов пластика: PET, HDPE, PVC, LDPE, PP, PS, O [1]. Каждый из этих видов полимеров перерабатывается по-разному, поэтому необходимо производить дополнительную сортировку, что делает более дорогой вторичную переработку и снижает её рентабельность.

Проблема велика и требует немедленных решений, поэтому мы почти каждый день слышим о каких-то новых инициативах по борьбе с пластиковыми отходами. Например, в Калифорнии ввели ограничение на использование пластиковых трубочек для коктейлей. Компания Adidas разработала кроссовки, сделанные из пластикового мусора, собранного в океане [2]. Есть и более серьёзные инициативы: к настоящему времени более 40 стран ввели ограничения на использование пластиковых пакетов, и, что примечательно, это не только страны с развитой экономикой, но и развивающиеся. Так, в Руанде полиэтиленовые пакеты заменили бумажными, а в Кении за производство или импорт одноразовых пакетов можно получить тюремный срок до 4 лет. К сожалению, все эти инициативы пока не в состоянии переломить тренд накопления пластикового мусора. Более того, полный запрет на использование пластиковой тары может привести к резкому повышению доли целлюлозы в качестве заменителя широко вписавшегося в нашу жизнь пластика. Это может привести к стремительному росту вырубки лесов. Очевидно, что нужно искать новые пути решения этой глобальной проблемы, и только применение комплексных мер смогут исправить ситуацию.

Один из путей решения проблемы — создание полимеров, которые в состоянии усваиваться бактериями. Самым известным веществом, которое в ряде случаев может заменить пластмассы, является целлюлоза, но у большинства животных отсутствуют ферменты, способные её расщепить. Как известно, возможность травоядных животных использовать в пищу целлюлозу обусловлена симбиозом с бактериями, содержащимися в их кишечнике, которые обладают способностью к расщеплению этого полисахарида.

При изучении структуры целлюлозы отсутствие у большинства живых организмов ферментов, способствующих её усвоению, кажется нам значительно более удивительным, чем если бы они имелись. Этот гомо-полимер состоит из остатков D-глюкозы, основного метаболита животного мира (рис. 1). Несмотря на определённые сложности в разложении целлюлозы, продукция из неё достаточно быстро разлагается в природе как при взаимодействии с целлюлозоразрушающими бактериями, так и грибами, а также поедается животными ксилофагами.

К сожалению, синтез таких биополимеров, как целлюлоза, способных усваиваться живыми организмами, в промышленных условиях, ввиду сложности технологии, лишает этот продукт важного преимущества — низкой цены. Но даже если и удастся создать дешёвый, легко разлагающийся биополимер, что, конечно, частично поможет решить проблему, то останется не решённой другая глобальная задача — утилиза-

30

ции миллионов тонн пластика, скопившегося в мировом океане и на всех континентах. Эта проблема актуальна даже для Антарктиды [3].

Рис. 1. Структура молекулы целлюлозы

На сегодняшний день ежегодно производится около 150 000 000 тонн полимеров, существует несколько десятков типов полимерной продукции, однако основу составляют полеолефины — около 60 %. Из них наиболее часто используемыми являются: полиэтилен, который представляет собой простейший насыщенный углеводород; пропилен, имеющий включения из метильных групп; поливинилхлорид, который имеет в своем составе хлор (рис. 2).

Рис. 2. Структура молекул основных полимеров, используемых в промышленности

Звеньями целлюлозы является легко усваиваемая глюкоза. Несмотря на это, у млекопитающих нет известных ферментов, способных её расщепить до моносахаров. Исходя из этого, можно было бы предположить, что в природе не имеется каких-либо организмов, способных включать в свою пищевую цепочку пластмассы. Однако, как оказалось, это не так. Способность разлагать пластмассы была выявлена у некоторых видов грибов: нитчатого гриба Fusariumoxysporum, который может расти на минеральной среде, содержащей нити ПЭТ, и эндофитного гриба Pestalotiopsismicrospora, способного поглощать полиуретан. В 2016 году был описан новый вид бактерий Ideonellasakaiensis, способный расщеплять пластик [4]. Также была выявлена способность частично перевари-

31

вать полистирол мучными червями (Tenebriomolitor) и полиэтилена амбарными огнёвками (Plodiainterpunctella) [5].

Наибольшее количество обсуждений вызвала личинка восковой моли Pyralidae: Galleriamellonella (Linnaeus, 1758). В 2017 году вышла статья, описывающая феноменальные способности личинки этой бабочки поедать пластиковые пакеты [6]. В ней приведены сведения, что за 12 часов 100 личинок съели около 100 миллиграммов пластика. С целью понять, каким образом возможно расщепление пластика, учёные сделали суспензию из личинок и покрыли ею ПЭТ плёнку. Позже плёнка была исследована методом инфракрасной Фурье-спектроскопии и были обнаружены следы этиленгликоля. На основании этих данных был сделан вывод, что продуктом расщепления полиэтилена является этиленгли-коль [6]. В августе того же года вышла статья под названием «Polyethylene Biodegradation By Caterpillars» [7], в которой выводы и методы из первой статьи [6] были поставлены под сомнение. В ходе горячих дискуссий обе команды учёных согласились, что необходимы дальнейшие исследования в этой области.

Пчелиный воск — основа питания личинок восковой моли, а его базовыми компонентами являются мерициловый эфир пальмитиновой кислоты и циротиновая кислота. Химическая структура углеводородных цепей, входящих в состав карбоновых кислот, идентична молекулам полиэтилена. По всей видимости, механизм, позволяющий расщеплять карбоновые кислоты, также даёт возможность усваивать ПЭТ гусеницами этой бабочки. Однако не менее важными в рационе личинки восковой моли являются коконы, оставшиеся от пчелиных куколок. Они не в состоянии пройти все стадии от яйца до имаго, питаясь исключительно воском. Для их развития необходимы соты, из которых вылетело хотя бы одно поколение пчёл и в которых остались коконы.

В нашей работе мы подготовили куски полиэтиленовых пакетов, размером примерно 10 х 10 миллиметров, смешали их с пчелиными сотами, остатками от куколок, из которых уже были выведены рабочие пчелы, и поместили их в чашку Петри. Затем поместили туда личинок восковой моли разного размера, которые были разделены на три группы: I (4—5 мм), II (6 — 8 мм) и III (9 — 12 мм). Гусеницы содержались при комнатной температуре 25 — 27 градусов по Цельсию. В процессе развития личинки активно поедали как пчелиные соты, так и куски из полиэтиленовых пакетов (рис. 3).

В первые 10 дней окуклились особи из группы III, в период с 10 до 15 дней — из группы II. Через 17 дней 4 личинки из группы I были изъяты для микробиологического исследования. Оставшиеся 4 гусеницы окуклились в период с 18 по 22 день.

После вылета имаго из куколок взрослые насекомые были переданы в ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН, в лабораторию энтомологии для определения вида д. б. н. М. Пономаренко, она подтвердила, что выведен-

32

ные имаго принадлежат семейству Pyralidae и относятся к виду Galleriamellonella (Linnaeus, 1758).

Рис. 3. Куски полиэтилена, съеденные личинками восковой моли Galleriamellonella (Linnaeus, 1758)

Для выделения бактерий личинки моли промывали в стерильном физиологическом растворе, затем внутреннее содержимое гомогенизировали в 500 мкл стерильного физиологического раствора. Гомогенат (50 мкл) наносили на агаризованную среду LB следующего состава: 1000 мл дистиллированной воды, 10 г триптона, 5 г дрожжевого экстракта, 10 г N¿0, pH 7.5. Чашки Петри с посевами инкубировали при 28 °С до 5 дней. Было выделено 8 штаммов бактерий. Штаммы бактерий хранили в 20-процентном растворе глицерина при 80 °С.

В ходе исследования подтвердилась способность гусениц поедать полиэтиленовые пакеты. Но использование личинок для прямой утилизации полиэтилена кажется сомнительным: у них слишком короткий жизненный цикл, около 30 дней, и имеются сложности в их разведении. Для утилизации крупных кусков полиэтилена, которые можно отсортировывать из общей массы мусора, существует большое количество эффективных методов, однако при переработке мелкодисперсного мусора личинки восковой моли могут быть полезны. Так называемые «хвосты», образующиеся при сортировке мусора, практически никак не используются. Сочетание кусков мелкого полиэтилена, а также других органических остатков, возможно, будет пригодно в пишу гусеницам бабочки Galleriamellonella. Особый интерес представляют также бактерии, выделенные нами из личинок. Возможно создание коллекции бактерий, каждая из которых может быть использована для разных видов пластика.

33

Таким образом, переработка пластика с помощью различных биотехнологических процессов как с применением биохимических подходов (создание легкоразлагающихся биополимерных материалов), так и биологических (использование различных организмов для переработки пластиковых отходов) является перспективным направлением, которому следует уделить самое пристальное внимание.

Список литературы

1. Виды и типы пластика, классификация пластика. Что за материал используется при производстве пластиковых тар. Пластмасса [Электронный ресурс] / / Переработка отходов России. Покупка и продажа вторичного сырья. URL: http: / / pererabotkatbo.ru/ oplastike.html.

2. Дроздов К. А. Adidas разработали кроссовки, созданные из мусора [Электронный ресурс] // www.EAST-ECO.com: сайт. 2015. URL: http://east-eco.com/ node/2216.

3. Пластиковый мусор внедрился в воды Антарктиды [Электронный ресурс] // «МИР 24» информационно-аналитический интернет-портал. URL: https://mir24.tv/news/16308844/plastikovyi-musor-vnedrilsya-v-vody-antarktidy.

4. Garrington D. Scientists accidentally create mutant enzyme that eats plastic bottles [Электронный ресурс] / / The Guardian. 2018. URL: https: / /www. theguardian.com/ environment/2018/apr/16/scientists-accidentally-create-mutant-enzyme-that-eats-plastic-bottles/.

5. Yu Yang. Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 2. Role of Gut Microorganisms [Электронный ресурс] / Yu Yang, Jun Yang, Wei-Min Wu, Jiao Zhao, Yiling Song, Longcheng Gao, Ruifu Yang, Lei Jiang // Environmental Science and Technology. 2015. № 49 (20). P. 12087-12093. DOI: 10.1021/acs.est.5b02663 URL: https://doi.org/10.1021/acs.est.5b02663.

6. Bombelli P., Howe Ch. J., Bertocchini F. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella / / Current Biology. 2017. Vol. 27. P. 292 — 293. D01:10.1016/j.cub.2017.02.060

7. Weber C., Pusch S., Opat T. Polyethylene bio-degradation by caterpillars? / / Current Biology. 2017. Vol. 27. Issue 15. P. 744 — 745.

•Jc -Jc -Jc

Drozdov Konstantin A., Kurilenko Valeriia V.

BIOCHEMICAL SOLUTIONS OF THE PROBLEM OF PLASTIC MUSTERING

(Pacific Institute of Bioorganic Chemistry, FEB RAS, Vladivostok, Russia)

The article presents examples of biochemical and biological solutions to the problem of plastic waste management. The results of own observations of plastic utilization by wax moth larvae Galleria mellonella(Linnaeus, 1758) are presented and the possibility of using this type of insects for processing of fine polyethylene garbage, the most difficult for utilization, is concretized.

Keywords: recycling plastic, biopolymers, bioprocessing, microbiology.

References

1. Vidy i tipy plastika, klassifikatsiya plastika. Chto za material ispol'zuetsya pri proizvodstve plastikovykh tar. Plastmassa (Types and types of plastic, classification of plastic. What kind of material is used in the production of plastic containers. Plastic). Available at: http://pererabotkatbo.ru/ oplastike.html.

34

2. Drozdov K. A. Adidas razrabotali krossovki, sozdannye iz musora (Adidas designed sneakers created from garbage). Available at: http://east-eco.com/ node/2216.

3. Plastikovyy musor vnedrilsya v vody Antarktidy (Plastic garbage infiltrated the waters of Antarctica). Available at: https://mir24.tv/news/16308844/plastikovyi-musor-vnedrilsya-v-vody-antarktidy (in Russ.).

4. Garrington D. Scientists accidentally create mutant enzyme that eats plastic bottles, The Guardian. Available at: https://www.theguardian.com/environment/2018/ apr/16/scientists-accidentally-create-mutant-enzyme-that-eats-plastic-bottles/.

5. Yu Yang, Jun Yang, Wei-Min Wu, Jiao Zhao, Yiling Song, Longcheng Gao, Ruifu Yang, Lei Jiang. Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 2. Role of Gut Microorganisms, Environmental Science and Technology, 2015, no. 49 (20), pp. 12087-12093. DOI: 10.1021/acs.est.5b02663. Available at: https://doi.org/10.1021/acs.est.5b02663.

6. Bombelli P., Howe Ch. J., Bertocchini F. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella, Current Biology, 2017, Vol. 27, pp. 292 - 293. D01:10.1016/j.cub.2017.02.060

7. Weber C., Pusch S., Opat T. Polyethylene bio-degradation by caterpillars?, Current Biology, 2017, vol. 27, issue 15, pp. 744-745.

•Jc -Jc -Jc

35