Пластик стал пищей для бактерий: как природа учится перерабатывать синтетические отходы
Ежегодно в мире производят около 400 миллионов тонн пластика. При этом на переработку попадает менее 10% этого объема. Остальной пластик скапливается на свалках, в океане и в почве, становясь долговременной экологической проблемой. При этом природа почти не способна справляться с синтетическими полимерами, так как их молекулярная структура для нее «чужая», и естественные процессы разложения тут почти не работают. Именно поэтому ученые ищут альтернативные пути утилизации, и один из самых перспективных связан с микроорганизмами, способными расщеплять пластик. Подробнее о них читайте в нашем материале.
Нейлоновые бактерии
В 1935 году химик Уоллес Карозерс синтезировал нейлон – материал, которого никогда не существовало в природе. Он быстро стал повсеместным. 40 лет спустя появились микроорганизмы, для которых нейлон стал пищей.
В 1975 году японские ученые из Осакского университета исследовали пруды со сточными водами нейлоновой фабрики. В этой воде жили бактерии, питавшиеся побочными продуктами производства нейлона – веществами, которых ранее попросту не было. Бактерии производили ферменты (нейлоназы), способные расщеплять исключительно нейлон.
Сначала думали, что нейлоназа появилась из ниоткуда уже после изобретения данного материала, но в 2007 году выяснилось, что она произошла от другого, уже присутствовавшего в природе фермента. Просто из‑за нескольких мутаций тот научился перерабатывать нейлон.
В 1995 году ученые попытались повторить этот процесс в лаборатории. Бактерию Pseudomonas aeruginosa, которая изначально не умела «питаться» нейлоном, поместили в среду, где он был единственным источником пищи. И уже через несколько циклов адаптации она научилась его переваривать и даже начала расти на нейлоновой диете.
Бактерия с мусорной свалки
В 2016 году на заводе по переработке ПЭТ-бутылок в японском городе Сакаи исследователи обнаружили бактерию, которую назвали Ideonella sakaiensis. Ее удивительная способность заключалась в умении использовать пластик как основную еду.
Бактерия вырабатывает два фермента. Первый, ПЭТаза, разрезает длинные молекулы пластика на промежуточные фрагменты. Второй, МГЭТаза, расщепляет эти фрагменты до простых веществ, которые бактерия усваивает. В лаборатории тонкая пластиковая пленка почти полностью разлагалась за шесть недель при 30 °C, тогда как в природе ПЭТ лежит сотни лет. Уникальная комбинация двух ферментов не встречалась больше ни у одного известного организма.
Улучшение ферментов
В 2018 году группа профессора Джона Макгихана из Портсмутского университета случайно создала улучшенную версию ПЭТазы, расщепляющую пластик примерно на 20% быстрее исходной. Через 2 года та же команда сшила ПЭТазу и МГЭТазу в единый «суперфермент», который работал в 6 раз быстрее природного варианта.
Параллельно французская компания Carbios взяла фермент LCC (leaf-branch compost cutinase), обнаруженный японскими учеными в 2012 году в листовом компосте, и с помощью направленных мутаций довела его до способности расщеплять 90% ПЭТ за 10 часов. Из полученных мономеров можно сделать новый пластик, ничем не уступающий первичному.
Тысячи ферментов по всей планете
В 2021 году исследователи из Чалмерского технологического университета в Швеции проанализировали образцы ДНК, взятые ими из сотен мест по всему миру. В этих образцах нашли около 30 тысяч ферментов с потенциалом разложения пластика. Из них примерно 12 тысяч в океане и 18 тысяч в почве. Причем почти 60% найденных ферментов не относились ни к одному известному классу.
Что примечательно, их количество напрямую коррелировало с уровнем загрязнения. Так, в самых неблагополучных в этом отношении местах, в том числе на больших глубинах, где микропластика скапливается больше всего, концентрация ферментов была устойчиво выше. За примерно 70 лет массового производства пластика микроорганизмы по всей планете начали к нему приспосабливаться. Не один вид и не два, а тысячи.
Полезно знать
Слюна восковой моли расщепляет полиэтилен за несколько часов при комнатной температуре. История началась случайно: биолог и пасечница Федерика Бертоккини чистила ульи и сложила гусениц в пластиковый пакет, а уже через пару часов он был весь изъеден. Сначала данный факт подвергали сомнению, и окончательно вопрос решился лишь в 2022 году, когда из слюны гусениц выделили два фермента, способных окислять полиэтилен без предварительной обработки. Предполагается, что данный супернавык появился у восковой моли из-за сходства полиэтилена с пчелиным воском – естественной пищей личинок.
Ген нейлоназы расположен на плазмиде – участке ДНК, который может передаваться другим бактериям. Ученые перенесли его в кишечную палочку, и та тоже начала переваривать нейлон. Это означает, что возможность питаться синтетическим материалом может распространяться между видами горизонтальным путем, а не только через наследование.
Обычные мучные черви из зоомагазина едят пенопласт и превращают его в удобрение. В 2015 году исследователи из Стэнфордского университета и Университета Бэйхан в Пекине выяснили, что личинки мучного хрущака Tenebrio molitor способны жить исключительно на диете из полистирола. 100 червей съедали 34-39 миллиграммов пенопласта в сутки, при этом чувствовали себя не хуже сородичей на нормальном корме. Около половины съеденного пластика превращалось в углекислый газ, а остальное выходило в виде помета, который оказался безопасным и биоразлагаемым.
Когда червям дали антибиотики, подавившие кишечные бактерии, способность переваривать пластик исчезла. Значит, всю работу делала микрофлора кишечника, а не сам червь. Результаты данного эксперимента были опубликованы в научном издании Environmental Science & Technology.
