Биохимические решения проблемы пластикового замусоривания

УДК 542.06

Дроздов К. А., Куриленко В. В.. Биохимические решения проблемы пластикового замусоривания // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. – 2019. – Т. 3, № 36, с. 29-35 – Библиогр.: 7 назв.

В статье изложены примеры биохимических и биологических решений проблемы борьбы с пластиковыми отходами. Приводятся результаты собственных наблюдений утилизации пластика личинками восковой моли Galleriamellonella (Linnaeus, 1758) и конкретизируется возможность использования этого вида насекомых для переработки мелкодисперсного полиэтиленого мусора, наиболее сложного для утилизации.
Ключевые слова: утилизация пластика,биополимеры,биопереработка, микробиология

Повсеместное использование пластика, а главное недостаточная вторичная переработка отходов пластикового сырья, привела к тому, что проблемы вырубки лесов, загрязнения водоемов промышленными стоками, а также загрязнения воздуха начинают быть менее злободневными, чем загрязнение пластиковыми отходами. Вырубленные леса имеют механизмы самовосстановления, органические загрязнители перерабатываются различными организмами от бактерий до моллюсков и рыб, атмосферный воздух очищается зелеными насаждениями, аккумулируется частицами атмосферной влаги, участвующей в круговороте воды в природе. Отходы же из пластика только накапливаются и практически не разлагаются автономно. Удивительно, но проблеме с пластиковыми отходами не более 50 лет, однако эта проблема уже приобрела масштабы катастрофы, особенно в последние десятилетия, когда пластик стал использоваться массово. Свалки завалены миллионами тонн пластиковых отходов, воздух загрязняется при их сжигании, в Тихом океане уже существует целый мусорный континент площадью превышающей 1000 000 квадратных километров. Под воздействием солнечной радиации происходит разложение полимерных структур на микрочастицы, которые в свою очередь адсорбируют вредные примеси, а затем включаются в пищевые цепочки.
Одна из проблем, которая усложняет вторичное использование пластиковых отходов, в том, что существует большое количество различных типов пластика: PET, HDPE, PVC, LDPE, PP, PS, O [1]. Каждый из этих видов полимеров перерабатывается по-разному, поэтому необходимо производить дополнительную сортировку, что делает более дорогой вторичную переработку и снижает её рентабельность.
Проблема велика и требует немедленных решений, поэтому мы почти каждый день слышим о каких-то новых инициативах по борьбе с пластиковыми отходами. Например, в Калифорнии ввели ограничение на использование пластиковых трубочек для коктейлей. Компания Adidas разработала кроссовки, сделанные из пластикового мусора, собранного в океане [2]. Есть и более серьезные инициативы: к настоящему времени более 40 стран ввели ограничения на использования пластиковых пакетов, и, что примечательно, это не только страны с развитой экономикой, но и развивающиеся. Так, в Руанде полиэтиленовые пакеты заменили бумажными, а в Кении за производство или импорт одноразовых пакетов можно получить тюремный срок до 4 лет. К сожалению, все эти инициативы пока не в состоянии переломить тренд накопления пластикового мусора. Более того, полный запрет на использование пластиковой тары может привести к резкому повышению доли целлюлозы, в качестве заменителя широко вписавшегося в нашу жизнь пластика. Это может привести к стремительному росту вырубки лесов. Очевидно, что нужно искать новые пути решения этой глобальной проблемы и только применение комплексных мер смогут исправить ситуацию.
Один из путей решения проблемы − создание полимеров, которые в состоянии усваиваться бактериями. Самым известным веществом, которое в ряде случаев может заменить пластмассы, является целлюлоза, но у большинства животных отсутствуют ферменты способные её расщепить. Как известно, возможность травоядных животных использовать в пищу целлюлозу обусловлена симбиозом с бактериями, содержащимися в их кишечнике, которые обладают способностями к расщеплению этого полисахарида.
При изучении структуры целлюлозы отсутствие у большинства живых организмов ферментов, способствующих её усвоению, кажется нам значительно более удивительным, чем, если бы они имелись. Этот гомополимер состоит из остатков D-глюкозы, основного метаболита животного мира (Рис.1). Несмотря на определенные сложности в разложении целлюлозы, продукция из неё достаточно быстро разлагается в природе, как при взаимодействии с целлюлозоразрушающими бактериями, так и грибами, а также поедается животными ксилофагами.

Рис. 1. Структура молекулы целлюлозы

К сожалению, синтез таких биополимеров, как целлюлоза, способных усваиваться живыми организмами, в промышленных условиях, в виду сложности технологии, лишает этот продукт важного преимущества − низкой цены. Но даже если и удастся создать дешевый, легко разлагающийся биополимер, что, конечно, частично поможет решить проблему, то останется не решенной другая глобальная задача − задача утилизации миллионов тонн пластика, скопившегося в мировом океане и на всех континентах. Эта проблема актуальна даже для Антарктиды [3].
На сегодняшний день ежегодно производится около 150 000 000 тонн полимеров, существует несколько десятков типов полимерной продукции, однако основу составляют полеолефины − около 60%. Из них наиболее часто используемыми являются: полиэтилен, который представляет собой простейший насыщенный углеводород; пропилен, имеющий включения из метильных групп; поливинилхлорид, который имеет в своем составе хлор (Рис.2).

Рис. 2. Структура молекул основных полимеров используемых в промышленности

Звеньями целлюлозы является легко усваиваемая глюкоза. Несмотря на это у млекопитающих нет известных ферментов, способных её расщепить до моносахаров. Исходя из этого можно было бы предположить, что в природе, не имеется каких-либо организмов способных включать с свою пищевую цепочку пластмассы. Однако, как оказалось, это не так. Cпособность разлагать пластмассы была выявлена у некоторых видов грибов: нитчатого гриба Fusariumoxysporum, который может расти на минеральной среде, содержащей нити ПЭТ, и эндофитного гриба Pestalotiopsismicrospora, способного поглощать полиуретан. В 2016 году был описан новый вид бактерий Ideonellasakaiensis, способный расщеплять пластик [4]. Также была выявлена способность частично переваривать полистирол мучными червями (Tenebriomolitor) и полиэтилена амбарными огневками (Plodiainterpunctella) [5].
Наибольшее количество обсуждений вызвала личинка восковой моли Pyralidae: Galleriamellonella (Linnaeus, 1758). В 2017 году вышла статья, описывающая феноменальные способности личинки этой бабочки поедать пластиковые пакеты [6]. В ней приведены сведения, что за 12 часов 100 личинок съели около 100 миллиграммов пластика. С целью понять, каким образом возможно расщепление пластика, ученые сделали суспензию из личинок и покрыли ей ПЭТ пленку. Позже пленка была исследована методом инфракрасной Фурье-спектроскопии и были обнаружены следы этиленгликоля. На основании этих данных был сделан вывод, что продуктом расщепления полиэтилена является этиленгликоль [6]. В августе того же года вышла статья под названием «Polyethylenebio-degradationbycaterpillars» [7], в которой выводы и методы из первой статьи [6] были поставлены под сомнение. В ходе горячих дискуссии обе команды ученых согласились, что необходимы дальнейшие исследования в этой области.
Пчелиный воск − основа питания личинок восковой моли, а его базовыми компонентами являются мерициловый эфир пальмитиновой кислоты и циротиновая кислота. Химическая структура углеводородных цепей, входящих в состав карбоновых кислот идентична с молекулами полиэтилена. По всей видимости, механизм, позволяющий расщеплять карбоновые кислоты, также даёт возможность усваивать ПЭТ гусеницами этой бабочки. Однако не менее важными в рационе личинки восковой моли являются коконы, оставшиеся от пчелиных куколок. Они не в состоянии пройти все стадии от яйца до имаго, питаясь исключительно воском. Для их развития необходимы соты, из которых вылетело хотя бы одно поколение пчёл, и в которых остались коконы.
В нашей работе мы подготовили куски полиэтиленовых пакетов, размером примерно 10х10 миллиметров, смешали их с пчелиными сотами, остатками от куколок, из которых уже были выведены рабочие пчелы, и поместили их в чашку Петри. Затем поместили туда личинок восковой моли разного размера, которые были разделены на три группы: I (4−5 мм), II (6−8 мм) и III (9−12 мм). Гусеницы содержались при комнатной температуре 25−27 градусов Цельсия. В процессе развития личинки активно поедали как пчелиные соты, так и куски из полиэтиленовых пакетов (рис. 3).

Рис. 3. Куски полиэтилена съеденные личинками восковой моли Galleriamellonella (Linnaeus, 1758)

В первые 10 дней окуклились особи из группы III, в период с 10 до 15 дней из группы II. Через 17 дней 4 личинки из группы I были изъяты, для микробиологического исследования. Оставшиеся 4 гусеницы окуклились в период с восемнадцатого по двадцать второй день.
После вылета имаго из куколок, взрослые насекомые были переданы в ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН, в лабораторию энтомологии для определения вида д.б.н., М. Пономаренко, она подтвердила, что выведенные имаго принадлежат семейству Pyralidae и относятся к виду Galleriamellonella (Linnaeus, 1758).
Для выделения бактерий личинки моли промывали в стерильном физиологическом растворе, затем внутреннее содержимое гомогенизировали в 500 мкл стерильного физиологического раствора. Гомогенат (50 мкл) наносили на агаризованную среду LB следующего состава: 1000 мл дистиллированной воды, 10 г триптона, 5 г дрожжевого экстракта, 10 г NaCl, pH 7.5. Чашки Петри с посевами инкубировали при 28 ºС до 5 дней. Было выделено 8 штаммов бактерий. Штаммы бактерий хранили в 20% растворе глицерина при −80 ºС.
В ходе исследования подтвердилась способность гусениц поедать полиэтиленовые пакеты. Но использование личинок для прямой утилизации полиэтилена кажется сомнительным: у них слишком короткий жизненный цикл, около 30 дней, и имеются сложности в их разведении. Для утилизации крупных кусков полиэтилена, которые можно отсортировывать из общей массы мусора, существует большое количество эффективных методов, однако при переработке мелкодисперсного мусора личинки восковой моли могут быть полезны. Так называемые «хвосты», образующиеся при сортировке мусора, практически никак не используются. Сочетание кусков мелкого полиэтилена, а также других органических остатков возможно будет пригодно в пищу гусеницам бабочки Galleriamellonella. Особый интерес представляют также бактерии, выделенные нами из личинок. Возможно создание коллекции бактерий, каждая из которых может быть использована для разных видов пластика.
Таким образом, переработка пластика с помощью различных биотехнологических процессов как с применением биохимических подходов (создание легкоразлагающихся биополимерных материалов), так и биологических (использование различных организмов для переработки пластиковых отходов) является перспективным направлением, которому следует уделить самое пристальное внимание.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виды и типы пластика, классификация пластика. Что за материал используется при производстве пластиковых тар. Пластмасса // http://pererabotkatbo.ru/oplastike.html.
2. Дроздов К.А. // Adidas разработали кроссовки созданные из мусора / www.east-eco.com / 03/07/2015. Ссылка:Ссылка: http://east-eco.com/node/2216.
3. Пластиковый мусор внедрился в воды Антарктиды // https://mir24.tv/news/16308844/plastikovyi-musor-vnedrilsya-v-vody-antar....
4. Damian Garrington // Scientists accidentally create mutant enzyme that eats plastic bottles / The Guardian, 16.05.2018.https://www.theguardian.com/environment/2018/apr/16/scientists-accidenta....
5. Jun Yang,Wei-Min Wu, Jiao Zhao, Yiling Song, Longcheng Gao, Ruifu Yang, Lei Jiang // Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 2. Role of Gut Microorganisms / Environ. Sci. Technol.2015492012087-12093. Publication Date:September 21, 2015.https://doi.org/10.1021/acs.est.5b02663.
6. Bombelli Paolo, Howe Christopher J., Bertocchini Federica. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella // Current Biology. — 2017. — Vol. 27. — P. R292—R293. — ISSN 09609822. — DOI:10.1016/j.cub.2017.02.060
7. Carina Weber, StefanPusch, TillOpat /Polyethylene bio-degradation by caterpillars? / Current Biology, Volume 27, Issue 15, 7 August 2017, Pages R744-R745.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Дроздов Константин Анатольевич – кандидат биологических наук, н.с. ФГБУ науки ТИБОХ ДВО РАН; e-mail: drovsh@yandex.ru.
Куриленко Валерия Валерьевна - кандидат биологических наук, с.н.с. ФГБУ науки ТИБОХ ДВО РАН; e-mail: valerievk141075@gmail.com.

Abstract

The article presents examples of biochemical and biological solutions to the problem of plastic waste management. The results of own observations of plastic utilization by wax moth larvae Galleria mellonella(Linnaeus, 1758) are presented and the possibility of using this type of insects for processing of fine polyethylene garbage, the most difficult for utilization, is concretized.
Key words: recycling plastic, biopolymers, bioprocessing, microbiology

Дроздов К. А., Куриленко В. В.. Биохимические решения проблемы пластикового замусоривания // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. – 2019. – Т. 3, № 36, с. 29-35 – Библиогр.: 7 назв.

Список работ автора:

Дроздов К. А., Звягинцев Н. В., Есипов А. В. Исследование методом ядерно-магнитной резонансной спектроскопии состава растительных жиров из семян культурных
растений различных климатических поясов // Программа и материалы научной конференции «Биоразнообразие и эволюция», посвященной памяти академика О. Г. Кусакина,
Владивосток, 4–6 окт. 2016 г. – Владивосток, 2016. – С. 53–58. – Библиогр.: 9 назв.
http://east-eco.com/node/6337

К.А. Дроздов, А.В. Усольцев. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ КОФЕИНА В ВОДНЫХ ЭКСТРАКТАХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ КОФЕИНА МЕТОДОМ ЯДЕРНО-МАГНИТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.
ISSN 2227-1384 «Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема» № 3(32)2018, с. 29-35.
http://east-eco.com/node/6295

К.А. Дроздов. АВТОНОМНАЯ СТАНЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛУБОКОВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ISSN 2227-1384 «Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема» № 3(32)2018, с. 23-28.
http://east-eco.com/node/6257

Дроздов К. А. Куриленко В. В.. Биохимические решения проблемы пластикового замусоривания // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. – 2019. – Т. 3, № 36, с. 29-35 – Библиогр.: 7 назв.
http://east-eco.com/node/6254

Дроздов К.А. Самоубийства животных. Факты и домыслы. Часть первая: отряд китообразные
https://east-eco.com/node/4954#

Дроздов К.А. Самоубийства животных. Факты и домыслы. Часть вторая: отряд грызуны
https://east-eco.com/node/4958