CC BY
23УДК 579.66:579.222.2:678-036.5
Ямпольская Т.Д., Панькова Т.Д.
Yampolskaya T.D., Pankova T.D.
Микробиологические аспекты переработки пластмассовых материалов Microbiological aspects of plastic materials' processing
В работе рассмотрена возможность использования хемоорганотрофных бактерий для биодеградации пластмассовых материалов в решении проблемы утилизации отходов. Зависимости разложения пластика от его разновидности под действием выделенных и идентифицированных изолятов микроорганизмов не выявлено. Отмечена тенденция изменения рН среды культивирования в щелочную сторону.
The paper considers the possibility of chemoorganotrophic bacteria using for the biodegradation of plastic materials for solving the problem of waste disposal. It has not been identified the plastic decomposition's dependence on its variety under the influence of identified microorganisms' solators. It was noticed a trend of changing the pH of culture medium into the alkaline one.
Ключевые слова: биодеградация, пластматериалы, рН среды культивирования, ферменты, микроорганизмы.
Key words: biodegradation, plastics, pH of culture medium, enzymes, microorganisms.
Пластматериалы утилизируются как неразлагающиеся отбросы на свалках и в водоемах. В природной среде биодеструкции подвергаются практически все полимерные материалы, однако для большинства из них скорость разрушения чрезвычайно низка [6]. Доля синтетических полимерных материалов в общей массе отходов в настоящее время составляет около 5-6 %. В то же время стойкость пластиков, попавших в отходы, содержание в них добавок, многие из которых весьма токсичны, оборачивается серьезной экологической проблемой. Сжигание пластикового мусора не является безопасным, так как в атмосферу при сгорании попадают токсичные вещества, наносящие вред окружающей среде и здоровью человека [1]. В европейских странах более выгодным и безопасным выходом является вторичная переработка использованных поли-этилентерефталат (ПЭТ) материалов [5].
В настоящее время существует несколько методов переработки пластматериалов [2]. Поиск биологических и биотехнологических путей разложения пластмасс - одна из возможностей решения поставленной проблемы.
Целью настоящего исследования является идентификация и изучение микроорганизмов, утилизирующих пластматериалы (на примере отходов, содержащих полиэтилентерефталат).
Нами были отобраны пластиковые отходы в рекреационной зоне г. Сургута. Взято три образца пластматериалов (прозрачный, синий и темный пластик). Количественный учет и выделение различных физиологических групп микроор-
ганизмов проводился чашечным методом Коха с высевом соответствующего разведения в объеме 0,1 мл на чашку Петри в трехкратной повторно-сти с внутренней и наружной поверхности материала. Для этих целей использованы среда Кинга -для выделения углеводородокисляющих микроорганизмов, среда Мюнца - для хемолитотрофов, Таусона - для литотрофов [3].
На первом этапе исследований выделено десять изолятов микроорганизмов: пять изолятов с образца № 1 (прозрачный пластик); три - с образца № 2 (темный); два изолята - с образца № 3 (голубой). Все образцы имели большую обсеме-ненность на наружной поверхности исследуемого материала. Самым обсемененным оказался образец прозрачного пластика с численностью 7,0 ± 0,4 млн кл/см2.
Наиболее активные по численным показателям изоляты идентифицированы до рода. Идентификация проводилась по физиолого-биохими-ческим признакам согласно определителю бактерий Берджи (1997) [4]. Два изолята относятся к роду Aureobacterium sp., третий - к Curtobacte-rium sp., четвертый - к Bacillus sp., пятый - к Listeria sp. Все идентифицированные изоляты - хе-моорганотрофы, подвижные, грамположитель-ные, каталазоположительные, некислотоустойчивые, аэробы (кроме Listeria sp. - факультативный анаэроб).
На следующем этапе исследований с идентифицированными микроорганизмами заложен лабораторный эксперимент с пластиком в качестве единственного источника углерода и энер-
Вестник СурГУ. 2014. Вып. 2 (4)
гии. Культивирование проводилось на минеральных средах Мюнца и Таусона с периодическим взбалтыванием. Длительность эксперимента составила три месяца. Результаты снимались ежемесячно: измерялась масса пластика, рН среды культивирования и численность микроорганизмов (см. таблицу).
ность: происходило подщелачивание кислой рН на среде Мюнца и нейтральной - на среде Таусона в течение трех месяцев.
Изоляты рода Bacillus sp. и Curtobacterium sp. имели более высокую численность в течение трех месяцев по сравнению с другими изолятами на среде Таусона и Мюнца. Высокие потребности
Результаты лабораторного культивирования на среде Мюнца
Материал Исходные Вр емя культивирования
данные 1 мес. 2 мес. 3 мес.
Aureobacterium sp. 1
Прозрачный пластик 7,52 0,052 7,86 0,15 И 0,12
Голубой пластик 4,96* ** 0,27 7,26 0,034 7,78 0,26 7,06 0,16
Темный пластик 7,33 0,059 7,46 0,31 7,23 0,08
Aureobacterium sp. 2
Прозрачный пластик 7,38 0,19 8,62 0,14 8,42 0,2
Голубой пластик 4,96 0,038 1А 0,21 7,87 0,35 81 0,3
Темный пластик 7,52 0,22 7,75 0,29 6,95 0,29
Curtobacterium sp.
Прозрачный пластик 8,73 0,36 6,11 0,02 7,49 0,26
Голубой пластик 4,96 0,5 5,65 0,16 6,26 0,095 8,25 0,38
Темный пластик 8,01 0,12 6,11 0,3 6,29 0,003
Bacillus sp.
Прозрачный пластик 7,72 0,37 8,31 0,22 7,97 0,34
Голубой пластик 4,96 0,03 8,23 0,24 9,15 0,45 7,97 0,4
Темный пластик 8,28 0,13 7,89 0,21 7,85 0,36
Listeria sp.
Прозрачный пластик 4,35 0,18 4,84 0,39 4,79 0,22
Голубой пластик 4,96 2,7 4,35 0,23 5,18 0,15 4,85 0,43
Темный пластик 4,37 0,18 4,58 0,19 47 0,38
Примечание: * — числитель — рН среды культивирования; ** — знаменатель — численность микроорганизмов, КОЕ х 106.
Существенных изменений массы пластика за три месяца эксперимента не выявлено. Отмечены незначительные колебания как уменьшения, так и возрастания веса, вероятно, за счет адсорбированных клеток на пластике. При измерении рН наблюдалась следующая закономер-
в питательных веществах микроорганизмов из рода Listeria привели к снижению численности данного изолята. Численность микроорганизмов рода Aureobacterium возрастала на среде Мюнца.
Важную роль в разрушении пластиков играет их способность адсорбировать микробные
клетки. Как правило, чем выше способность микроорганизмов к адгезии, тем выше их деструктивное воздействие. Способность гетеротрофных микроорганизмов разрушать полимерные материалы связывают с большим разнообразием ферментов и метаболитов, секретируемых ими в окружающую среду. В результате их действия полимерный материал переводится в растворимое состояние, образуются низкомолекулярные продукты распада, которые доступны микроорганизмам в качестве источников энергии и питания. Активное разрушающее действие оказывают следующие ферменты: эстеразы, протеиназы, лиазы и оксидоредуктазы. Выделенные нами микроорганизмы обладают перечисленным рядом ферментов. Эстеразы катализируют гидролитический разрыв эфирных, сложноэфирных, кислотноан-гидридных связей. С разрыва эфирной связи начинается разрушение пластификаторов, которые являются наименее стойкими компонентами пластматериалов. Образующаяся свободная кислота хорошо используется многими микроорганизмами в качестве источника углерода. Пластификаторами служат сложные эфиры адипиновой, аконитовой, лауриновой, олеиновой, себацино-вой, фталевой и других органических кислот,
а также фосфорной кислоты, глицерин, сорбит. Данные соединения могут служить дополнительными источниками углерода для хемоорга-нотрофных микроорганизмов. Содержание пластификатора может составлять 30-50 % от массы пластика, поэтому от биостойкости пластификатора в большой мере зависит и биостойкость всего материала. Кроме полимерных смол и пластификаторов в состав пластиков входят наполнители (бумага, волокна, ткани, древесная мука), стабилизаторы, красители [6].
Четкой зависимости биодеградации под действием выделенных изолятов от разновидности ПЭТ (прозрачный, голубой, темный пластик) нами не обнаружено.
Таким образом, в ходе проведенной нами экспериментальной работы были выделены изо-ляты микроорганизмов (возможных утилизаторов пластматериалов) четырех родов. Отмечена общая тенденция изменения рН среды обитания микроорганизмов в щелочную сторону, что может свидетельствовать о разрушении пластмате-риалов под действием щелочных протеаз микроорганизмов. Численность микроорганизмов в основном снижалась, исключение составляют изо-ляты рода АигеоЬа^епит.
Литература
1. Гуль В. Е. Структура и механические свойства полимеров. М. : Высш. шк., 1966. 28 с.
2. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д. Г. Звягинцева. М. : МГУ, 1998. 352 с.
3. Общественный экологический проект EcoLife : Проблема ТБО, комплексный подход. 2008. URL: http://www.ecolife.ru/education/apres/tbo/gll.php (дата обращения: 20.04.2014).
4. Определитель бактерий Берджи : в 2 т. / под ред. Дж. Хоулта [и др.]. М. : Мир, 1997.
5. Пилунов Г. А., Михитарова З. А., Цейтлин Г. М. Переработка отходов полиэтилентерефлалата // Химическая промышленность. 2001. № 6. С. 22-26.
6. Прикладная экобиотехнология : учеб. пособие : в 2 т. / А. Е. Кузнецов [и др.]. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. Т. 1. 629 с.
