Пластик и живые организмы

На пятой сессии Ассамблеи ООН по окружающей среде в Найроби (2022) обсуждали пластиковый кризис и объемы пластиковых отходов, которые уже сейчас угрожают здоровью экосистем и сохранению биоразнообразия. C 1950 года во всем мире было произведено около 9,2 млрд тонн пластика. Объемы производства выросли с 2 млн тонн в 1950-м до 841 млн тонн в 2023. А к 2050 году они увеличатся до 1,1 млрд тонн в год. Лишь около 30% пластика, произведенного с 1950 года, еще используется. 6,9 млрд тонн уже превратились в отходы. Менее 10% этого объема пошло на переработку, 14% было сожжено, остальные 76% — попали в окружающую среду и захоронены на полигонах. Каждый год во всём мире в отходы превращается порядка 300 млн тонн пластика, а за последние 30 лет потребление пластмасс возросло в 4 раза, говорится в докладе ОЭСР. Согласно моделированию ученых из Австралийского национального научного агенства и Университа Торонто в Мировой океан ежегодно попадает от 3 до 11 миллионов тонн пластикового мусора.

Один из способов борьбы с пластиковыми отходами увидели в бактериях. Первая бактерия, способная питаться полиэтилентерефталатом (ПЭТ), была обнаружена в 2016 японскими учёными в образцах почвы на заводе по переработке бутылок. Исследования показали, что гидролизовать ПЭТ с помощью ферментов в терефталевую кислоту и этиленгликоль способны бактерии Ideonella sakaiensis 201-F6. Терефталевая кислота обладает низкой токсичностью, но вызывает раздражение глаз, кожных покровов и дыхательной системы.

Учёные из Эдинбургского университета при помощи генномодифицированных бактерий Escherichia coli смогли переработать 79% терефталевой кислоты в ванилин. Этиленгликоль – токсичное, взрыво- и пожароопасное вещество, широко используемое для производства антифриза, тормозной жидкости, конденсаторов, растворителя красителей. ПЭТ – один из самых распространенных полимеров для производства одноразовой упаковки. Значительная часть отходов представлена именно ПЭТ. Здесь мы сталкиваемся с первым ограничением использования этого штамма: учитывая объемы пластика и продукты разложения, встаёт вопрос о том, зачем человечеству столько ванилина и тормозной жидкости? А если без шуток, использование этой бактерии возможно только в контролируемых условиях. Бактерии не различают пластиковые отходы и ещё пригодный к эксплуатации пластик, что может привести к потери потребительских свойств. В условиях эксперимента под действием бактериальных ферментов тонкая плёнка из ПЭТ полностью разрушалась через 6 недель при температуре 30 °С, при более низких температурах процесс протекает значительно дольше.

Австрийскими учеными были обнаружены бактерии в рубце домашней коровы, способные разлагать другой полимер – полиэстер. Актинобактерии (Thermobifida spp.) также могут участвовать в разложении полиэстера при температурах выше 30 °С. Т.е., чтобы запустить "разложение" нужно добавить достаточное количество тепла. Процесс неприменим для промышленной утилизации пластика, потому что не является экономически выгодным и не может рассматриваться как экологичное решение, ведь нагрев приведет к выбросам парниковых газов.

Недавно японские ученые обнаружили бактерий Vibrio ruber, способных разлагать полибутиленсукцинат (PBS) в холодном море. PBS считается биоразлагаемым, с начала 90-х его активно используют в промышленности и для изготовления пищевой упаковки. Но разлагается он только на суше, под действием УФ-излучения и при относительно высоких температурах, а морская вода, куда он также попадает, почти консервирует PBS. Фермент, который выделяют найденные бактерии назвали PBSase. В обозримом будущем одним из направлений работы биотехнологи видят создание искусственного фермента, с помощью которого быстрая утилизация бытовых отходов станет возможной, хотя бы в небольшом объеме.

Есть и любители противоположных условий. В 2023 году группа исследователей из Швейцарии обнаружила микроорганизмы Neodevriesia и Lachnellula, которые успешно способны разлагать пластик при низких температурах. Они обитают в Гренландии, на Шпицбергене и в Альпах. В ходе эксперимента авторы собрали образцы 19 штаммов бактерий и 15 грибов, находящихся в почве в условиях холода, некоторые из которых весьма успешно «поедают» пластик при температурах ниже 20 °С.

Грибы уже давно привлекают внимание ученых и рассматриваются в качестве инструментов борьбы с пластиковым загрязнением. Программа ООН по окружающей среде (UNEP) уделяет грибам особое внимание, т.к. например, Aspergillus tubingensis, Pestalotiopsis microspora — виды грибов, способные разлагать полиуретан, ещё один тип пластика.

Учёные из Сиднейского университета обнаружили грибы, которые справляются с полипропиленом. Полипропилен долгое время был загадкой для рециклинга. Он широко используется, составляет примерно 28% мировых пластиковых отходов, но только 1% из них перерабатывается. Aspergillus terreus и Engyodontium album, обычно встречающиеся в почве, способны расщеплять полипропилен после его предварительной обработки ультрафиолетом или теплом, уменьшая количество пластика на 21% за 30 дней инкубации и на 25–27% за 90 дней.

Несмотря на относительную эффективность грибов, стоит помнить о таком риске, как распространение спор, которые могут вызывать аллергические реакции и микозы (поражение легких). Этот биологический метод применим в контролируемых лабораторных условиях, т.к. широкое и повсеместное расселение перечисленных видов может нарушить хрупкий баланс в экосистемах. Также стоит учитывать температурный фактор, большинство видов, способных справляться с пластиками – теплолюбивые, а значит, либо температура на Земле должна подняться до рекордных значений и человечеству будет точно не до проблем пластикового загрязнения, либо потребуется энергия для нагрева в лабораториях, что приведет к увеличению выбросов парниковых газов.

В качестве союзников в борьбе с пластиковым загрязнением часто рассматривают и насекомых. Ранее считалось, что они просто деструкторы, которые механически превращают крупные части в более мелкие, делая материал более доступным для бактерий и грибов. Но некоторые насекомые действительно научились разлагать пластик с помощью ферментов, хотя и с ограничениями и невозможностью использовать метод в промышленных масштабах.

Британские и испанские исследователи выяснили, что личинки восковой моли (Galleria mellonella) способны быстро поедать полиэтилен и выделять этиленгликоль. G. Mellonella — вредитель, который откладывает яйца в пчелиные соты. Вылупившиеся личинки питаются медом, пергой и пчелиным воском, состоящим из смеси органических веществ. В ходе эксперимента, после того, как личинок оставили наедине с полиэтиленовым пакетом, первые дыры в нем стали появляться через 40 минут. За 12 часов 100 личинок съели около 100 миллиграммов пластика. Предполагается, что личинки восковой моли смогли переработать полиэтилен потому, что он похож на их обычную пищу.

Способностью расщеплять полиэтилен с помощью симбиотических бактерий была обнаружена у гусениц бабочки южной амбарной огневки Plodia interpunctella. Гусеницы четвёртого и пятого возраста могут проделывать входные отверстия в полиэтиленовых пакетах толщиной 0,03 мм. Для поиска входных отверстий молодые гусеницы могут преодолевать расстояние до 38 см. Они способны прогрызать также плёнки из поливинилхлорида в течение пяти дней, а через многослойную полипропиленовую плёнку они проникают на 21 сутки экспозиции.

Казалось бы, прекрасные модельные объекты, но стоит задуматься, почему гусеницам амбарных огневок понадобилось поедать пакеты? Может быть цель не пакет, а то, что хранится в нём? Гусеницы южной амбарной огнёвки являются вредителями продовольственных запасов в хранилищах, магазинах, пищевых предприятиях и наших квартирах, повреждающие около 180 пищевых продуктов. Например, муку, зерно, рожь, пшеницу, кукурузу, рис и продукты их переработки, сушёные фрукты и овощи, пряности, изюм, шоколад, орехи, лекарства, приправы, дрожжи, корма домашних животных и многое другое. Известны случаи паразитирования гусениц в полостях тела некоторых домашних животных. Так живые гусеницы были извлечены из полости головного мозга кольчатого попугая и из подкожной клетчатки домашних кошек. Так что поедают эти гусеницы не только пластик. Непосредственный контакт с гусеницами и бабочками, вдыхание фрагментов их тел или продуктов их жизнедеятельности может вызывать у человека различные бронхолёгочные заболевания. Попадание гусениц и их экскрементов вместе с зараженными ими пищевыми субстратами в пищеварительную систему человека может привести к развитию желудочно-кишечных расстройств. Пищеварительные ферменты гусениц, которые планируется использовать для расщепления пластика — аллергены.

Способность к разложению пластика уже демонстрируют и тараканы, и зофобас, но для них это необходимость добраться до пищи через упаковку. Никто из насекомых, бактерий или грибов пока не перешёл к питанию пластиками. Существует множество различных материалов с разными характеристиками и составом. Универсальных решений по биодеградации пока нет: для каждого типа пластика требуется индивидуальный подход, разные организмы, температуры и время. Некоторые синтетические полимеры пока что не поддаются биоразложению, их состав никому не «по зубам». Чтобы их разрушить, нужны сильные ферменты в больших количествах, но бактерии, грибы и насекомые за счет быстрой смены поколений, возможно скоро научатся разлагать и их.

Пластики – не самая питательная среда, расти и размножаться на нем сложно. Генная модификация бактерий, усиление ферментов — задачи скорее фундаментальной науки, а не прикладных экспериментов. В окружающую среду модифицированных микроорганизмов без тщательных исследований пускать не стоит. Гарантии, что они не проникнут в естественную среду случайно также нет. Рост численности не проконтролировать, взаимодействие с другими видами отследить практически невозможно. Чтобы не оказаться героями новеллы “The last of us” или другого постапокалиптического произведения с участием бактерий, грибов или насекомых, которые не брезгуют есть нас живыми следует задуматься о том, как мы дошли до пластикового кризиса.

Около трети производимого пластика используется для производства одноразовых изделий (более 130 млн тонн в год), это не только медицинские инструменты, а упаковка и товары, которые можно заменить на многоразовый аналог. Необходимы срочные глобальные действия по предотвращению попадания пластика в окружающую среду и самое простое решение — сократить объёмы производства одноразовых пластмасс. Помимо действий государств, ответственность должна распределяться и на производителей. Прямо сейчас в мире обсуждается историческое Пластиковое соглашение, касающееся всего жизненного цикла пластика – от производителя до моря. Возможно, оно будет опубликовано до конца 2024 и станет тем самым инструментом для необходимых изменений.

С борьбой с последствиями нам действительно могут помочь новые искусственные ферменты, о которых учёные узнают от бактерий или грибов, биоремедиация, но если мы хотим бороться с причиной загрязнения и решить проблему по-настоящему, сокращение объемов пластиковых отходов, попадающих в компоненты окружающей среды – первостепенно!