Учёные прочёсывают мусорные площадки по всему миру в поисках бактерий, грибов и даже насекомых, содержащих ферменты, которые можно использовать для расщепления различных полимеров. Пока это только начало, но если удастся эффективно расширить масштабы работ, то такая биологическая переработка может поставить точку в проблеме пластиковых отходов.
Пасмурным весенним утром 2012 г. Федерика Бертоккини ухаживала за пчёлами недалеко от своего дома в Сантандере, на живописном северном побережье Испании. «В одной из сот завелись черви», — рассказывает пасечник-любитель, имея в виду назойливых личинок восковой моли, которые обладают прожорливым и разрушительным аппетитом.
Бертоккини собрала червей, положила их в полиэтиленовый пакет и продолжила заниматься своими пчелиными делами. Когда через несколько часов она достала пакет, то заметила нечто странное: он был полон крошечных отверстий.
Учёная заинтересовалась. Голодные черви просто прогрызли пластик, или изменили его химический состав? Быстрые анализы, проведённые в её лаборатории, с удивлением подтвердили последнее: что-то в слюне червей разлагало пластик. «С этого момента и начались исследования», — говорит Бертоккини, биолог, занимающаяся вопросами развития, ранее работавшая в Национальном исследовательском совете Испании.
Сейчас она соучредитель компании Plasticentropy, одной из многочисленных стартапов и исследовательских групп, появившихся в последние годы в поисках средств переработки пластика, вдохновлённых живой природой. Такая «биологическая переработка», как её называют, может предложить более эффективные и экологически безопасные альтернативы некоторым современным методам утилизации.
Учёные обследуют свалки, авторазборки и другие места, кишащие пластиком, в поисках организмов, способных разлагать пластик на составляющие части. Взяв эти микроорганизмы за основу и улучшив их способности к расщеплению полимеров в лабораторных условиях, учёные надеются найти эффективный способ регенерации составных частей пластика. Затем они смогут использовать эти составные части для производства новых материалов, создавая таким образом «бесконечный цикл переработки».
Пока это только первые шаги, и поиск ферментов, пригодных для решения этой задачи, — лишь первый шаг. Но биологическая переработка может стать ценным инструментом в борьбе с постоянно растущей проблемой пластиковых отходов. «Над этим работают сотни групп по всему миру, тысячи учёных. Это совершенно поразительно», — говорит структурный биолог Джон МакГихан, консультант по переработке пластмасс, специализирующийся на открытии и разработке ферментов для переработки пластмасс.
Проблемы утилизации отходов
Подобных исследований мы ждём уже давно. С тех пор как в 1940-х годах началось активное производство пластмасс, их выпуск резко возрос. По оценкам, ежегодно мы производим около 460 млн тонн пластика, что эквивалентно весу примерно 2,3 млн синих китов.
К сожалению, большая часть этого пластика сжигается, захоранивается на свалках или выбрасывается в окружающую среду. Неудивительно, что пластик проник на нашу планету: от океанских глубин до обоих полюсов; он даже попадает в дождь. Он также находится в нашем организме: его следы обнаружены в плаценте, грудном молоке и крови человека. Использование и утилизация пластика связаны с рядом проблем со здоровьем и окружающей средой.
Глобальное состояние пластиковых отходов
Несмотря на эти проблемы, спрос на них не снижается: по прогнозам, к 2050 году их производство превысит 1200 млн тонн. Во многом это объясняется тем, что пластики трудно заменить: это отличный с точки зрения производства материал: лёгкий, легко поддающийся формовке, который можно наделять практически бесконечным разнообразием свойств.
Учитывая, что замена всех пластмасс нереальна, следующим оптимальным вариантом может стать сокращение производства первичных материалов из ископаемого топлива и переработка большего количества уже существующих. Другими словами, повысить уровень переработки пластмасс в мире с нынешнего удручающего показателя, составляющего около 9%.
Причин такого низкого уровня достаточно много: пластик трудно разложить, он может впитывать вредные химические вещества в процессе переработки, существует множество видов пластика, каждый из которых имеет свой состав, химические добавки и красители. Многие из них не получается перерабатывать совместно.
«У нас есть серьёзная проблема с круговоротом пластмасс, — говорит Йохан Керс, биолог-синтетик и соучредитель компании Birch Biosciences, расположенной в штате Орегон, занимающейся ферментативной переработкой. — Мы можем перерабатывать алюминий, мы можем перерабатывать бумагу, но мы даже под дулом пистолета не можем наладить переработку пластика».
Природа предлагает своё решение
Биологическая переработка может поставить точку в проблеме пластмасс. Она предполагает использование ферментов — «рабочих лошадок» биохимии, ускоряющих реакции, — для расщепления полимеров пластмасс на их основные компоненты — мономеры. Затем эти мономеры можно использовать для производства новых пластмасс. «Самое приятное в ферментах то, что вы получаете строительные блоки обратно, — говорит МакГихан. — Потенциально этот процесс может быть бесконечным, поэтому он очень привлекателен». По словам Тинга Сюя, специалиста по полимерам из Калифорнийского университета в Беркли, соавтора обзора биосинтетических гибридных материалов, опубликованного в 2013 г. в журнале Annual Review of Physical Chemistry, такой подход может превратить использованные пластмассы в ценный ресурс, а не в источник отходов.
Превращение пластика в биополимеры
Исследования ферментов, поедающих пластик, ведутся как минимум с 1970-х годов, но в 2016 г. эта область вновь оживилась, когда группа японских учёных опубликовала в журнале Science эпохальную работу, в которой описала новый штамм бактерий, поедающих пластик. Под руководством Кохея Оды, микробиолога из Киотского технологического института, группа обнаружила, что микроб Ideonella sakaiensis 201-F6 может использовать ПЭТ-пластик — полимер, широко используемый в производстве бутылок для напитков и тканей, — в качестве основного источника энергии и пищи.
Исследователи обнаружили этот микроб в осадке, когда кропотливо просеивали 250 образцов окружающей среды, собранных на заводе по переработке бутылок недалеко от Осаки. Дальнейшие испытания показали, что I. sakaiensis способен практически полностью разрушить ПЭТ в течение шести недель.
С тех пор учёные обнаружили микробы, питающиеся пластиком, на различных объектах по всему миру, в том числе в компостной куче на кладбище в Лейпциге (Германия), на свалке в столице Пакистана Исламабаде и на двух пляжах в Ханье (Греция). Масштабный анализ более 200 млн генов, обнаруженных в свободно плавающей ДНК в таких средах, как океаны, почва арктических тундр, саванны и различные леса, позволил выявить 30 000 различных ферментов, способных разлагать пластик, сообщила группа исследователей в 2021 году.
Штамм бактерий рода Serratia (на фото), выделенный учёными из кишечника жука-щелкуна Plesiophthalmus davidis, способен расщеплять полистирол и может стать хорошим кандидатом для борьбы с полистирольными отходами. Жуки обычно питаются гнилой древесиной.
Однако открытие ферментов — это только начало. Как правило, учёным приходится их настраивать, чтобы они работали лучше. Например, МакГихан вместе с коллегами из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Колорадо и других странах разработал два фермента, отвечающих за способность I. sakaiensis поедать пластик, чтобы повысить их эффективность, а затем соединил их, создав ферментный коктейль, способный расщеплять ПЭТ в шесть раз быстрее, чем это было возможно ранее.
Учёные также используют искусственный интеллект для усиления желаемых свойств ферментов, которые быстрее деполимеризуют пластик, менее разборчивы в выборе целевых субстратов и способны выдерживать более широкий диапазон температур.
Первые данные свидетельствуют о том, что биологическая переработка может иметь меньший углеродный след, чем производство пластмасс заново. Например, использование ферментов для расщепления ПЭТФ с целью получения одного из его мономеров, терефталевой кислоты (ТФК), сокращает выбросы парниковых газов на 43% по сравнению с производством ТФК «с нуля», согласно оценкам 2021 года.
Отличная мишень для ферментов
Конечно, ПЭТФ — это лишь один из многих видов пластмасс, которые принято разделять на семь или более классов в зависимости от таких факторов, как химическая структура. На одном конце шкалы находятся пластмассы со смешанной углеродной основой — полимеры, в которых основа состоит из углерода, чередующегося с другими атомами, такими как кислород и азот. В настоящее время такие пластики наиболее пригодны для биологической переработки, в основном потому, что имеющиеся ферменты способны переваривать тип химической связи в смешанной углеродной основе. По словам Энди Пикфорда, молекулярного биофизика из Портсмутского университета (Великобритания), это «своего рода ахиллесова пята» материала.
У ПЭТФ тоже есть своя основа — углерод, соединённый с кислородом. Распространённый в текстиле и бутылках из-под газировки и составляющий примерно пятую часть всех пластмасс, создаваемых ежегодно, ПЭТФ является популярной первой целью среди специалистов по биологической переработке и наиболее близок к реализации в коммерческих масштабах. Например, французская компания Carbios планирует в 2025 г. открыть на северо-востоке Франции завод по биологической переработке ПЭТФ, который будет перерабатывать 50 тыс. т отходов в год.
Компания использует фермент, впервые обнаруженный в компостной куче, который затем был модифицирован для повышения способности ПЭТФ разрушать связи и выдерживать высокие температуры, при которых пластик становится расплавленным и мягким. Фермент способен деполимеризовать 90% ПЭТ за 10 часов, сообщили учёные из компании Carbios и её академического партнёра, Тулузского института биотехнологий, в журнале Nature в 2020 году. Другая компания, австралийская Samsara Eco, планирует запустить в Мельбурне установку мощностью 22 000 тонн, которая также будет специализироваться на ПЭТ.
Основные базовые структуры самых популярных видов пластика
По словам Пикфорда, чья команда в Портсмуте работает со всеми тремя типами пластмасс, полиамиды и полиуретаны также являются перспективными объектами для ферментативной переработки, поскольку они по своей природе подвержены расщеплению ферментами. Помимо ПЭТ, компания Samsara теперь работает и с нейлоном — разновидностью синтетического полиамида, используемого в тканях и текстиле. В мае компания объявила о партнёрстве с популярным спортивным брендом Lululemon, чтобы производить «первую в мире бесконечно перерабатываемую» одежду из нейлона и полиэстера, добытых из выброшенной одежды.
Исследователи также изучают полиуретаны, которые составляют около 10%, или 25 млн тонн, мирового объёма пластмасс и широко распространены в поролонах, таких как мебельные подушки, а также в подгузниках, мочалках и кроссовках. Различные микроорганизмы могут разлагать некоторые виды полиуретанов, и команда Керса из Birch Biosciences выбрала для тестирования около 50 различных ферментов, питающихся полиуретаном, однако эти полимеры представляют собой структурно разнообразную группу и, вероятно, потребуют различных стратегий.
Более серьёзные проблемы
Хотя ферментативная переработка выглядит многообещающе для пластиков со смешанной основой, перспективы не столь радужны для тех, кто находится на другом конце шкалы: пластиков с основой из чистого углерода. В эту эклектичную группу входят поливинилхлорид (ПВХ), поливиниловый спирт (ПВА), полистирол и полиэтилен, из которого изготавливают повсеместно распространённые полиэтиленовые пакеты. Биологическая переработка этих пластмасс гораздо сложнее, говорит Пикфорд. «Они в некотором смысле жирные для ферментов. Ферментам не за что зацепиться».
Тем не менее, некоторые учёные — среди них испанка Бертоккини — работают над этими неподатливыми пластиками. «По какой-то причине я остановилась на полиэтиленовых пакетах, в основе которых лежит полиэтилен», — говорит она. Полиэтилен, также широко используемый в пищевой плёнке и контейнерах для еды на вынос, на сегодняшний день является самым крупным классом пластиков, занимающим более 25% рынка. Спустя десятилетие после своего неожиданного открытия Бертоккини и её сотрудники из Plasticentropy идентифицировали ферменты, разлагающие полиэтилен, в слюне воскового червя и дали им названия Demetra и Ceres. Ферменты разлагают полиэтилен в течение нескольких часов при комнатной температуре за счёт присоединения кислорода к углеродной основе.
Ферменты, обнаруженные в организме насекомых, могут стать ключом к созданию более прочных пластмасс. Крис Ринке, микробиолог из Квинслендского университета (Австралия), занимающийся изучением полистирола (широко распространённого в контейнерах для еды на вынос и одноразовой посуде), входит в число учёных, изучающих личинки насекомых, жёсткие ротовые аппараты которых «очень хорошо пережёвывают предметы» и расщепляют их на мелкие частицы. «Затем микробы, живущие в кишечнике, переходят на более мелкие частицы», — говорит Ринке.
Ринке обнаружил личинку жука Zophobas morio, прозванного «суперчервем», который способен разрушать полистирол в два этапа: механически измельчая пластик на мелкие кусочки, что «старит» его за счёт внедрения атомов кислорода, и затем деполимеризуя эти кусочки с помощью специальных бактериальных ферментов в его кишечнике, которые ещё предстоит идентифицировать.
*Личинки жука-чернотелки (Zophobas morio), известные как суперчерви, могут поедать полистирол благодаря пока ещё не идентифицированному бактериальному ферменту в кишечнике червя.*
Однако некоторые эксперты не столь оптимистичны в отношении перспектив биологической переработки особенно для пластиков с трудноразрушаемой основой. «Я пока не уверен, что такие полиолефины, как полиэтилен, полипропилен и ПВХ, когда-нибудь станут реальными объектами для ферментативной переработки в масштабах страны, — говорит Пикфорд. — Проводились некоторые интересные наблюдения, но перевести их в промышленный процесс будет чрезвычайно сложно. Надеюсь, я ошибаюсь».
Есть намёки на прогресс в области ПВХ, но этот хрупкий пластик, как и его родственники ПВА и полимолочная кислота (ПМК), остаётся практически непобедимым для ферментов. В таких случаях, по мнению Пикфорда, более целесообразно перейти к созданию новых пластмасс, пригодных для вторичной переработки.
Однако находки продолжают поступать: В 2020 г. группа специалистов из Южной Кореи сообщила об обнаружении кишечной бактерии, которая наделяет личинок чёрного жука Plesiophthalmus davidis способностью переваривать полистирол. Другая группа учёных сообщила об обнаружении двух адаптированных к холоду штаммов грибов: Lachnellula и Neodevriesia — выделенных из альпийской почвы и арктического побережья соответственно, которые способны расщеплять некоторые виды биоразлагаемого пластика, включая PLA.
Тем не менее, ферменты — это только часть дела. Неясно, насколько легко будет масштабировать процессы, использующие эти ферменты, и как это будет выглядеть в масштабах окружающей среды.
«Я думаю, что единого решения для всего этого никогда не будет, — говорит Ванесса Вонгсути, основатель исследования и руководитель отдела белковой инженерии компании Samsara Eco. — Мы должны работать над расширенной переработкой отходов, но в дополнение к этому политика, редизайн продукции, повторное использование и даже ликвидация ... всё это является частью общей картины».
Некоторые изменения в политике уже готовятся. В 2024 году Организация Объединённых Наций намерена разработать юридически обязательный глобальный договор о загрязнении окружающей среды пластиком. Ожидается, что в нём, помимо прочих мер, будут введены новые правила производства и дизайна пластиковых изделий, облегчающие их переработку. А в следующем году в Вашингтоне, Калифорнии и Европейском союзе вступят в силу законы, обязывающие получать 25 % материалов, входящих в состав пластиковых контейнеров и бутылок для напитков, из переработанного пластика. Однако без дополнительных изменений и стимулов эти усилия могут оказаться лишь каплей в море. Пока первичная пластмасса остаётся дешёвой, биологические ферменты могут не выдержать конкуренции.
«Основная проблема — это стоимость, — говорит МакГихан. — Пластмассы, получаемые из ископаемого топлива, очень дёшевы, поскольку они производятся в огромных масштабах на мировом рынке, который очень развит». Не помогает и то, что правительства некоторых стран до сих пор поощряют производство пластмасс таким способом, говорит он. «Нам необходимо изменить своё мышление и начать стимулировать производство ПЭТФ или других биоразлагаемых материалов так, как в своё время это было выгодно нефтегазовой промышленности».
МакГихан не теряет оптимизма, полагая, что после усовершенствования технологии биологической переработки пластика она быстро станет достаточно рентабельной, чтобы конкурировать с первичным пластиком. До тех пор исследователи, подобные Бертоккини, будут продолжать работать. Она отказалась от своих любимых ульев, когда в 2019 году переехала в Мадрид, но сегодня продолжает расширять ассортимент ферментов своей фирмы, используя личинки мотыльков и бабочек. «Ферменты не решат все проблемы с пластиком, — говорит она, — но это уже начало».
