ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕСТРУКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ ВОДНОЙ МИКРОФЛОРЫ Р. БРАТОВКА, НА ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 57.083.12

Хажиева Г.Р., Бушева А.В., Мурзина Е.Д., Шулаев С.В.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕСТРУКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ ВОДНОЙ МИКРОФЛОРЫ Р. БРАТОВКА, НА ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Хажиева Гульнара Руслановна - студентка 4 курса бакалавриата кафедры промышленной экологии. Бушева Ангелина Вячеславовна - студентка 4 курса бакалавриата кафедры промышленной экологии. Мурзина Екатерина Дмитриевна - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии; [email protected].

Шулаев Сергей Валерьевич - аспирант 4 года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

В статье рассматривается выделение микроорганизмов методом накопительных культур из водных сред. Были получены бактерии, предположительно способные к биодеструкции полимерных материалов, таких как акрилонитрил бутадиен стирол, поликарбонат, полиамид, полибутилентерефталат, полиэтилен высокого и низкого давления, полиэтилентерефталат, полипропилен, поливинилхлорид. Ключевые слова: микроорганизмы, биоразложение пластика, биодеструкция, водные среды, полимерные материалы.

RESEARCH OF DESTRUCTIVE IMPACT OF MICROORGANISMS EXTRACTED FROM THE WATER MICROFLORA OF THE BRATOVKA RIVER ON POLYMERIC MATERIALS

Khazhieva G.R., Busheva A.V., Murzina E.D., Shulaev S.V.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation

The article deals with the isolation of microorganisms by the method of accumulative cultures from aqueous media. Bacteria were obtained, presumably capable of biodegradation of polymer materials such as acrylonitrile butadiene styrene, polycarbonate, polyamide, polybutylene terephthalate, high and low pressure polyethylene, polyethylene terephthalate, polypropylene, polyvinyl chloride.

Key words: microorganisms, plastic biodegradation, biodestruction, water environments, polymeric materials.

Вследствие ухудшения нынешней экологической обстановки за счет урбанизации, развития промышленного производства, повышения численности населения, увеличивается и количество отходов от потребляемой продукции. Достаточная доля этих отходов утилизируется и перерабатывается. Однако, совсем другая ситуация происходит с полимерными материалами. С каждым годом повышается спрос на пластиковые изделия, ведь они просты в изготовлении, удобны в применении и доступны. Однако, человечество столкнулось с тем, что не справляется с утилизацией пластика, производимого в таких масштабах.

Пластик составляет примерно 10% от всех бытовых отходов, основная часть которых выбрасывается на свалку. Однако около 60-80 % отработанного пластика обнаруживается на пляжах и в океане. В Южной Калифорнии был проведен эксперимент: за 3 дня на прибрежной территории было собрано 2,3 миллиарда фрагментов пластиковых материалов, которые весили 30,5 т. Большинство из них составили одноразовые изделия из пенопластов (71%), готовые гранулы (10%), встречались цельные изделия (1%) и различные пластиковые обломки размером до 4,75 мм (14%). [1] Многие ученые ищут пути решения «пластиковой катастрофы», и считают, что самым безопасным, а главное экологичным методом, можно считать

биодеградацию полимерных отходов - химическое расщепление, вызываемое биохимическими реакциями, катализируемыми ферментами, которые синтезируют микроорганизмы [2].

Микроорганизмы достаточно быстро

приспосабливаются к изменениям окружающей среды, и это доказали японские ученые в 2016 году. Исследуя почву рядом с заводом по переработке пластиковых бутылок, была выведена грамотрицательная бактерия Ideonella sakaiensis, способная использовать ПЭТ-продукты в качестве основного источника питания [3].

Немецкие ученые в 2007 году, проведя множество исследований, выяснили, что нитчатые грибы Fusarium oxysporum и Fusarium solani способны расти на минеральной среде, которая содержит нити ПЭТ (полиэтилентерефталата). В особенности ПЭТ показал значительный рост гидрофильности при обработки его ферментом из F. oxysporum [4].

Биологами из Кембриджа было обнаружено, что личинки восковой моли Galleria mellonella могут разлагать полиэтилен. В лабораторных условиях они выяснили, что 100 гусениц восковой моли за 12 часов могут уничтожить 92 мг полиэтилена. При расщеплении пластика выделения личинок содержали не микропластик, а этиленгликоль. Это дает основание предположить, что личинки содержат

определенный фермент, способный расщеплять сложные полимерные структуры [5].

Основываясь на данных, что со временем в природных средах появляются микроорганизмы, способные разлагать различные виды пластика, в данной работе были проведены исследования по выделению из водных объектов микроорганизмов, потенциально способных разлагать полимерные материалы.

В качестве образцов были взяты кусочки пластикового пакета, пролежавшего длительное время в реке Братовка. Полученные образцы переносили в колбы со стерильной водопроводной водой и оставляли на 12 часов на горизонтальном шейкере при 250С при 150 об/мин. Затем из каждой

колбы были отобраны пробы (по 10 мл) и перенесены на жидкие питательные среды ЬБ следующего состава, г/л: глюкоза 20, дрожжевой экстракт 5, пептон 10, №С1 2.

Методом накопительных культур на жидких средах того же состава были получены сообщества микроорганизмов, предположительно разлагающие пластиковые материалы. Выделение чистых культур проводили методом истощающего штриха на чашках Петри с твердой агаризованной питательной средой ЬБ. В таблице 1 представлены морфологические признаки изолятов.

Оценку чистоты отобранных культур проводили методом микрокопирования фиксированных окрашенных препаратов (рисунок 1).

Таблица 1. Морфологические признаки отдельных колоний, полученных при разделении исходного

сообщества

Название Размер Форма Цвет Поверхность Опт. св-ва Профиль Край Структура

5.Пластик Точечн Круглая Бледно- С Непрозрач Каплевидн Глад Однородная

овый ая коричне концентрическ ная, ый кий

пакет (А) вый ими кругами матовая

5.Пластик Точечн Круглая Коричне Гладкая Непрозрач Плоский Глад Однородная

овый ая вый, ная, кий

пакет (Г) среда темная блестящая

5.Пластик Точечн Круглая Бежевый Гладкая Непрозрач Плоский Глад Однородная

овый ая ная, кий

пакет (Д) блестящая

5А

■

r^-Vtl

Т J-d ■ * . L

гУГ: V

«Г

5Г

-.»Vi

- Л "4L

5Д

'Г

f

* ,Г .

кл л

¿ш-

-■Ir^ а •

i I

. * <r* ; v г * I•

А» 1 J »Л

Är^t £ л

Рисунок 1. Фотографии фиксированных окрашенных препаратов отобранных микроорганизмов.

" а -Г-.' X.

# л v . ' «■ * ^

Для дальнейшей работы были отобраны три штамма микроорганизмов (рисунок 2).

\1

Рисунок 2. Чистые культуры под номерами 5А, 5Г,

5Д

Инокулят отобранных чистых культур, полученный на среде LB, объемом 10 мл был перенесен на жидкие среды LCFBM следующего состава, г/л: KH2PO4 0,7, K2HPO4 0,7, MgSÜ4-7H2Ü 0,7, NH4NO3 1, NaCl 0,005, FeSÜ4-7H2Ü 0,002, ZnSÜ4-7H2Ü 0,002, MnSÜ4-H2Ü 0,001. В качестве единственного источника углерода в каждую колбу помещали 9 различных видов пластика (массой 0,5 г): ABS (акрилонитрил бутадиен стирол), PC (поликарбонат), PA-6 (полиамид), PBT (полибутилентерефталат), LDPE (полиэтилен низкого давления), HDPE (полиэтилен высокого давления), PET (полиэтилентерефталат), PP (полипропилен), PVC (поливинилхлорид). В течение 26 суток измерялась оптическая плотность среды с микроорганизмами, в качестве контроля использовали LCFBM среду. Были получены зависимости оптической плотности сред с каждым

видом пластика от времени пребываниях в них микроорганизмов (рисунки 3,4,5).

Рисунок 3. Изменение оптической плотности среды с культурой 5А от времени

2,50

2,00

|—a—|

1,50

/ / ^ —»1

1,00 —M—1

—•—1 —£4

0,50 0,00 I

1 -1

ABS

PC

РА-6

РВТ

LDPE

HOPE

PET

РР

PVC

336 Время, ч

Рисунок 4. Изменение оптической плотности среды с культурой 5 Г от времени

Рисунок 5. Изменение оптической плотности среды с культурой 5Д от времени

Было определено, что отобранные культуры хорошо растут на минеральных средах с пластиком. На 168 часу культуры 5Г и 5Д выходили в стационарное состояние, но оптическая плотность

культуры 5А продолжала увеличиваться и вышла на стационар только на 672 час.

Спустя 26 суток все виды пластика доставали из колб, промывали, высушивали и измерили их массу. На рисунке 6 показаны потери массы пластиков при росте на них выделенных изолятов.

2,50

s

Л 2,00

и

u

(0 £ 1,50

к a 1,00

<L>

i-

0 с 0,50

0,00

h

о

s 5А

0

% Ш 5Г

1 5Д

ABS PC РА-6 РВТ LDPE HDPE PET РР PVC Вид пластмасс Рисунок 6. Зависимость съеденной микроорганизмами массы пластика от его вида

Проведя эксперимент, было определено, что микроорганизмы достаточно быстро оказывают деструктивное действие на пластиковые материалы, в особенности на акрилонитрил бутадиен стирол (ABS), полиэтилентерефталат (PET) и на поливинилхлорид (PVC).

В настоящий момент проводятся дальнейшие исследования полученных культур, а также определение лучших условий для их роста.

Список литературы

1. Агуадо, Д.П. Серрано, Г.Сан-Мигель, 2007 г. Европейские тенденции в переработке пластмассовых отходов, Журнал Global NEST, 9-10, стр. 12-19.

2. Зезин А. Б. Полимеры и окружающая среда //Соросовский образовательный журнал. - 1996. - Т.

2. - С. 57-64.

3. Yoshida S., Hiraga K., Takehana T., Taniguchi I., Yamaji H., Maeda Y., Toyohara K., Miyamoto K., Kimura Y & Oda K (2016) Bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate). Science 351, 1196-1199.

4. Nimchua, T. Comparison of the hydrolysis of polyethylene terephthalate fibers by a hydrolase from FusariumoxysporumLCH I and Fusariumsolani f. sp. pisi. / T. Nimchua, H. Punnapayak, W. Zimmermann // Biotechnology Journal. - 2007. - № 2. - P. 361-364.

5. Bombelli, P. Polyethylene biodegradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella / P. Bombelli, C.J. Howe, F. Bertocchini // Current biology. - 2017. - Vol. 27, № 8. - P. 6076-6084.