Люди гордо называют себя всеядными, однако мы ни в какое сравнение не идем с бактериями.
Именно благодаря этим удивительным созданиям, которые населяют наш кишечник, мы вообще способны усваивать пищу. У некоторых из них вкусы весьма специфические: они способны питаться не самыми аппетитными блюдами, например, пластиком и нефтью. Ученые уже проверили этих гурманов в деле.
Почему же, имея таких помощников, человечество до сих пор не справляется с пластиковой катастрофой и продолжает сидеть ровно на своей куче непереработанного мусора?
Звезды микромира
Самая известная бактерия, поедающая пластик, была обнаружена в 2016 году японскими учеными на заводе по переработке бутылок. Звали ее Идеонелла Сакаентис и поедала она только бутылочный пластик — полиэтилентерафталат, также известный как ПЭТ. Пищеварительный фермент Идеонеллы оказался самым быстрым и эффективным средством для разрушения ПЭТ. С тех пор произошло еще много открытий. С одной стороны, находились новые штаммы, с другой стороны, ученые генетически модифицировали и совершенствовали уже существующие. Похоже, что генетическая инженерия происходила параллельно с естественным эволюционным процессом. Прорывы, совершенные природой, неизменно вдохновляли исследователей на научные достижения. Среди самых впечатляющих открытий: желудочная бактерия австрийских коров, которая помогает им переваривать синтетику, немецкие микроорганизмы, разлагающие пластик всего за несколько часов, удивительные черви из Канады, которые питаются пластиковыми пакетами и производят из них спирт.
Вплоть до мая 2023 года считалось, что пластик способен разлагаться только в тепле, то есть при температуре выше +20°С. Казалось, что это серьезная проблема для северных регионов: приходилось создавать специальные условия для того, чтобы биодеградация пластика была возможна на месте. Но выяснилось, что в Альпах и в Арктике уже появились бактерии и грибы, которым холод не помеха. Внимательные швейцарские ученые собрали аж 19 бактериальных штаммов и 15 грибов — все они поедали закопанный в земле пластик в течение года. По итогам эксперимента исследователи выделили два самых скоростных штамма.
А в 2023 году удалось отыскать настоящее сокровище. Бактерию, способную разлагать пластик в холодном море. Точнее, определенный пластиковый полимер — полибутиленсукцинат или PBS. Вообще-то он и так считается биоразлагаемым. Поэтому с начала 1990-х его стали активно использовать в промышленности и пищевой упаковке. Но разлагается он только на суше — и то в тепле. А вот в морской воде PBS хранится долго. К сожалению, в океанские воды все время попадает пластик, поэтому проблема актуальна. Находка была не случайной: ученые из университета Хоккайдо изучали японских прибрежных микробов и их воздействие на PBS. В конце концов, им удалось обнаружить счастливых обладателей фермента, разлагающего PBS — штамм под названием Vibrio ruber. Фермент получил название PBSase. Далее японские исследователи экспериментировали с геномом. Они вставляли фермент в другие, более активные, штаммы бактерий. Кроме того, они изучили сам фермент в чистом виде и сопоставили его с другим, который разрушает ПЭТ. Анализ и сопоставление ферментов открывают широкие возможности намеренного культивирования пластикофагов и создания новых биоразлагаемых полимеров, рассчитанных на различные среды.
Несмотря на годы исследования и разработок в этой области, масштабных биотехнологий для разложения пластика все еще не существует. В чем же заключается трудность?
Пластика не существует
На самом деле существует бесчисленное множество различных материалов с разными характеристиками и составом. Пластическими массами называют целый класс полимеров. Более того, на производствах их смешивают между собой и с другими веществами — и получают материалы с качественно иными свойствами, например, стеклопластик. Так что и универсальных решений по биодеградации пока нет: для каждого типа пластика требуется индивидуальный подход. Какие-то организмы, эволюционирующие в компостных кучах, естественным образом приспосабливаются к пожиранию бутылок, а другие живут на свалках пластиковых пакетов и постепенно начинают питаться ими. Некоторые синтетические полимеры пока что в принципе не поддаются биоразложению — и это неудивительно, потому что тому препятствует кристаллическая структура и гидрофобность пластмасс. Чтобы их разрушить, нужны очень мощные ферменты в больших количествах.
Кроме того, сам по себе пластик для микробов — не слишком питательная среда. Большинство из них предпочитает лакомиться азотом и азотистыми соединениями, которых много в органике. Основным источником энергии для микрофлоры является углерод — именно его они и извлекают, разрушая пластик. Но опять-таки извлечь углерод из пластмасс часто намного сложнее, чем из природных продуктов. Бактерии, в чьем рационе преобладает трудная для усвоения пища, медленнее растут и хуже размножаются. Следовательно, и скорость деградации искусственных полимеров в среднем получается невысокой. А скорость загрязнения очень высока: каждый год только в Мировом океане прибавляется от 9 до 14 млн тонн пластика.
Чтобы ускорить процесс биодеградации и усовершенствовать пищеварение бактерий, ученые занимаются генетическими модификациями. Во-первых, они выделяют ключевой разлагающий элемент — фермент — и усиливают его свойства. Во-вторых, на основе существующих видов бактерий выводят новые, те, у которых этот фермент работает активнее. В-третьих, внедряют улучшенные ферменты в геномы других микроорганизмов, обладающих иными конкурентными преимуществами — например, высокой скоростью размножения. Наконец, сейчас микробиологи ведут активные эксперименты по смешиванию различных типов ферментов, чтобы получить своего рода универсальный растворитель. Конечно, «универсальный» — это громко сказано, но он будет подходить хотя бы для нескольких видов пластмасс, а это уже серьезный шаг вперед.
Достижений на этом пути сейчас немало. Некоторые модифицированные бактерии уже способны разрушить пластиковое изделие за несколько дней. Другие действуют в широком температурном диапазоне. А еще микробиологам удалось создать бактериальные биопленки для улавливания и сбора микропластика — этот инструмент сильно помогает в процессе переработки.
Подобные разработки финансируются университетами по всему миру. Идеал, к которому стремятся разработчики — это группа супербактерий-мутантов, поглощающих целые пластиковые классы прямо в естественных условиях, а не в лаборатории. Притом разложение должно происходить быстро и качественно: за несколько часов полимер должен полностью деградировать, то есть не превратиться в токсичные пластиковые мономеры, а распасться на безобидные органические соединения. Впрочем, некоторых ученых эта идея настораживает: они опасаются непредсказуемых экологических последствий из-за присутствия супермутантов в естественной среде. Сможем ли мы контролировать их рост и размножение? Как они уживутся с другими организмами? Это пока сложно сказать наверняка.
Разделяй и властвуй
Раздельный сбор — точнее, его отсутствие — является еще одной существенной проблемой. Для разложения, как и для переработки, в промышленных масштабах было бы удобнее всего массово собирать вместе схожие по структуре полимеры. Но любой, кто хоть раз пытался сортировать пластик, примерно представляет себе, как много еще усилий нужно приложить, чтобы наладить этот процесс. В России инфраструктура раздельного сбора отходов пока только формируется. А в среднем по миру сортируется и перерабатывается меньше четверти всего выброшенного пластика. Прочий — например, в 2015 году 79% от всех произведенных пластмасс — громоздится кучами на свалках и становится частью мусорных островов в океане. И вообще свободно путешествует по всем природным и антропогенным средам. Организовать сортировку пластика — это лишь половина решения. Потому что вдобавок придется что-то делать со всем тем мусором, который мы оставили за прошедшие десятилетия.
Стоимость эффективного биохимического разложения пластмасс все еще достаточно высока, и до тех пор, пока не появится налаженная система сбора и разделения фракций — это будет слишком убыточным занятием.
Пластисфера
Мусорные острова заселяются микроскопической жизнью. Сообщества организмов, которые сумели эволюционировать для того, чтобы приспособиться к пластиковой среде, образовали новый тип экосистем — пластисферу.
Исследователи пластисферы заметили корреляцию между увеличением пластиковых отходов и распространением бактерий, способных его разлагать. Микропластик микробам поедать проще, но именно там, где образовались крупные пластмассовые скопления, например, в глубинах океана, появляются организмы с наиболее мощными ферментами.
Вот это сила эволюции: природа сама адаптируется к новым условиям по мере того, как мы загрязняем среду. Даже невероятно прочный неразлагаемый пластик может стать домом и пищей для находчивых микроорганизмов. Так что у человечества есть естественный союзник в борьбе с мусором: неторопливый, зато мощный и надежный. И это вселяет надежду, потому что ускорить развитие поедателей пластика мы можем сами — с помощью науки и технологий.
Автор: Екатерина Доильницына