Могут ли бактерии разрушать пластик?

Разлагающие пластик бактерии — возможное будущее решение кризиса, связанного с загрязнением окружающей среды. Полимер с высоким молекулярным весом очень прочен и его трудно разлагать, но не невозможно, если применяются правильные методы.

Вы можете быть благодарны за прочные бутылки из-под кетчупа, которые не разбиваются при ударе о землю, но не будете так рады узнать, что эта бутылка может разлагаться более 400 лет.

Наша зависимость от пластика зашла настолько далеко, что практически невозможно представить жизнь без него. Прошли те времена, когда мы могли покупать молоко в стеклянной бутылке. Кажется, что все сегодня сделано в той или иной форме из пластика.

А почему бы и нет? Пластик уже давно является удобным, прочным, гибким, устойчивым к износу, а также самой недорогой альтернативой стеклу. Вы уже определенно слышали о растущей необходимости коллективно ограничить использование неперерабатываемого пластика.

Виды пластика

Пластик бывает разных типов, включая ПЭТ (полиэтилентерефталат) и полиэтилен. Это наиболее часто встречающиеся пластмассы в предметах домашнего обихода, а также одни из самых трудноразлагаемых.
К счастью, некоторая надежда появилась благодаря самым надежным организмам старой закалки — бактериям. Прежде чем мы поймем, как бактерии могут помочь решить нашу проблему, давайте начнем с того, что делает пластик таким неразрушимым.

Почему пластик так трудно разлагается?

Пластик — это искусственное синтетическое вещество, состоящее из различных элементов, включая углерод, водород, кислород, азот и хлор. Это высокомолекулярный полимер, состоящий из повторяющихся звеньев мономеров.

Побочные продукты переработки нефти являются важным сырьем при производстве пластмасс. Полиэтилен или полиэтилен являются наиболее распространенными побочными продуктами и ответственны за то, что пластмассы не поддаются биологическому разложению.

Во время образования пластика несколько мономерных звеньев этилена или пропилена, например, соединяются и связываются вместе с помощью сильных водородных сил. Такие силы практически невозможно сломать, что делает пластик конечного продукта почти неразрушимым.

Причина этого проста: сама нефть является продуктом миллионов лет разложения микроорганизмами. Встречающиеся в природе бактерии редко могут понять природу таких сложных соединений и, следовательно, не могут их разложить. Более детальную информацию об этом вы найдете в статье о сроках разложения пластика.

Можно ли разложить пластик?

Этот вопрос очень давно не дает покоя ученым и экологам по всему миру. Растущее производство и спрос на пластик вызвали серьезную критику со стороны экспертов и ученых. Сегодня применяется множество методов разрушения пластика, но полное разложение остается лишь отдаленной возможностью.

Наиболее распространенные формы разрушения пластика включают воздействие УФ (ультрафиолетового) света, а также механическое разрушение, вызванное ветром или волнами. В конечном итоге этот процесс разбивает более крупные пластмассовые материалы на более мелкие части, которые называются нано- и микропластиками. Микропластик имеет размер менее 5 мм, а кусок нанопластика — менее 0,1 микрометра.

Пластмассы можно до определенной степени разложить с помощью механических методов, но конечные продукты, такие как микро- и нанопластики, попадают в морские и наземные экосистемы.

Эти крошечные фрагменты ошибочно принимаются за пищу, потребляются морскими и наземными животными и в конечном итоге попадают в пищевую цепочку. Проведенное на рыбе Acanthochromis polyacanthus исследование показало, что микропластик размером более 300 микрометров присутствовал в полости кишечника рыбы.

Не только рыбы, но и наземные животные, такие как овцы или козы, могут непреднамеренно потреблять микро- или нанопластики. Поскольку животное не может полностью переваривать пластик, он накапливается в его пищеварительной системе. Этот пластик в конечном итоге попадает в организм человека, когда мясо таких животных употребляется в пищу. Пластмассы содержат несколько токсичных компонентов, включая канцерогены, свинец, кадмий и ртуть, и могут нанести огромный ущерб при проглатывании.

Современные механические методы разрушения пластика недостаточны, поскольку они не могут полностью разрушить пластик.

Именно здесь вступают в действие микроорганизмы.

С момента появления на рынке пластмасс в 1960 году наблюдается феноменальный рост их производства и использования. Природа не в состоянии справиться с таким быстрым ростом использования пластика. В результате большинство природных бактерий еще не полностью эволюционировали с ферментами, способными полностью разлагать его.

Бактерии, разрушающие пластик

Как гласит старая пословица, там, где есть желание, есть и выход. В 2016 году группа исследователей из Киотского технологического института впервые идентифицировала бактерию Ideonella sakaiensis. Бактерия была обнаружена на одном из предприятий по переработке ПЭТ-бутылок в Японии, и она может обеспечить разрушающие пластик качества, необходимые человечеству!

Это не единственная бактерия, которая может совершить этот когда-то невозможный подвиг. Есть несколько других, которые также могут преобразовывать полимерный пластик в олигомеры (8 мономерных единиц) и мономеры.

Бактерии, принадлежащие к типу Actinobacteria и родам Thermobifidia, Thermomonospora и Saccharomonospora, дали некоторые многообещающие результаты. Есть еще много бактерий, которые могут разлагать пластик, но содержащиеся в них ферменты не подходят для промышленного использования. Еще предстоит провести много исследований, прежде чем бактерии можно будет использовать в больших масштабах.

Ideonella sakaiensis — это наиболее изученная модель, демонстрирующая, как бактерии могут уменьшить количество пластика. Когда I. sakaiensis вступает в тесный контакт с поверхностями ПЭТ, бактерия использует секретируемый фермент гидролазу для разложения.

Фермент — это биологический катализатор, который может ускорить химические реакции. Реакция гидролазы — это любая реакция, в которой молекула воды разрушает химическую связь. Короче говоря, это ферментативная реакция, включающая разрыв углеродной связи с помощью молекулы воды. ПЭТ является основным источником углерода и энергии для бактерий.

ПЭТаза разлагает ПЭТ на моно (2-гидроксиэтил) терефталевую кислоту (MHET) и этиленгликоль. Оба этих конечных продукта сравнительно безвредны и их легче разрушить более простыми методами. MHET разлагается на 2 мономерных соединения внешней мембраной клетки, в то время как этиленгликоль легко поглощается и используется I. sakaiensis и другими окружающими бактериями.

Четыре фермента бактерии Thermobifidia были идентифицированы как сильнодействующие деструкторы ПЭТ. Существуют определенные ограничения, поскольку ферменты частично ингибируются промежуточным продуктом MHET. Предпринимаются усилия для преодоления этого препятствия.

Полиэтилен (PE) или полиэтилен — это длинноцепочечный полимер этиленовых мономеров, который является мишенью для разложения микроорганизмов. Некоторые бактерии могут разлагать PE, включая Pseudomonas, Staphlyococcus, Streptomyces и т. Д. Некоторые виды грибов также могут разлагать PE, такие как Aspergillus, Cladosporium, Penicillium и другие.

Использование вышеупомянутых бактерий и грибков для разрушения полиэтиленовых пластиков все еще находится на стадии исследований, и мы ожидаем конкретных доказательств их эффективности и потенциала в будущем.

Заключение

Идея о бактериях, разлагающих пластик, несомненно, является лучом надежды в потенциально темное и наполненное пластиком будущее, но еще многое предстоит рассмотреть. Проблема заключается в высокомолекулярной структуре пластика. Его первоначальная поломка — это препятствие, которое необходимо преодолеть. Может быть много ферментов, которые могут быстро разрушить пластик, но технология их разработки и идентификации все еще находится на стадии становления. Одним из таких многообещающих источников является использование наборов данных метагенома.

Метагеномика — это исследование генетического материала, полученного непосредственно из источника. Большая часть проводимых научных исследований включает изучение чистых микробных культур. Иногда это снижает понимание того, как эти изолированные микробы реагируют с другими микробами в их естественной среде обитания.

Метагеномика заполняет этот пробел и предоставляет средства для изучения микробов на их «домашней территории». Этот метод может иметь потенциал для выявления новых типов микробов, обитающих в среде, подобной Ideonella sakaiensis.

Хотя это может показаться простым и очевидным решением нашей проблемы с пластиком, предстоит еще много исследований. Единственное, что мы можем сделать индивидуально, — это приложить сознательные усилия, чтобы сократить использование пластика. Этот небольшой шаг, хотя он может показаться незначительным, может оказаться большим преимуществом для нас и всех будущих поколений.