МОСКВА, 11 мар - РИА Новости. Японские молекулярные биологи открыли необычную бактерию, которая умеет "есть" лавсан и другие виды пластика, и извлекли из них ферменты, отвечающие за разложение этих полимеров, говорится в статье, опубликованной в журнале Science .

Каждый год на свалки Земли попадает примерно 300 миллионов тонн пластикового мусора, большая часть которого не разлагается почвенными микробами и остается в почти нетронутом виде на протяжении десятков и даже сотен лет. Многие частицы пластика оказываются в водах мирового океана, где они попадают в желудки рыб и птиц и часто становятся причиной их гибели.

Кендзи Миямото (Kenji Miyamoto) из университета Кейо в Йокогаме (Япония) и его коллеги нашли способ уничтожить весомую часть этой "мусорной кучи", изучая то, как различные сообщества бактерий реагируют на присутствие полиэтилентерфталата (PET). Этот термопластик, также известный как лавсан, применяется при изготовлении пластиковых бутылок, одежды, кинопленки и прочих носителей информации. На долю PET приходится шестая часть всего пластикового мусора на Земле.

В ходе исследований ученые совершили несколько походов на природу, где им удалось найти и извлечь более 250 фрагментов пластикового мусора, часть которых несла на себе следы частичного разложения. Биологи проанализировали геномы бактерий, живших в почве рядом с этими частицами пластика, и попытались выделить среди них те, которые способны питаться PET. Для этого культуры микробов высадили на тонкие пленки из полимера.

Ученым улыбнулась удача - они обнаружили, что обычная почвенная бактерия Ideonella sakaiensis способна жить на стопроцентной "диете" из лавсана и разлагать его молекулы на воду и углекислый газ.

Ученые заинтересовались, как эта "пластикоядная" бактерия разлагает цепочки PET на одиночные звенья и поедает их. Для ответа на этот вопрос биологи проанализировали структуру ДНК микроба и выяснили, что за уничтожение пластика отвечают всего два фермента.

Первый — так называемая ПЭФаза — разлагает длинные звенья полимера на "кирпичики" из одной молекулы этиленгликоля и терефталевой кислоты еще до того, как пластик попадает в бактерию. Второй фермент, МГЭТ-гидролаза, разлагает эти звенья на этиленгликоль и терефталевую кислоту, которые затем используются микробом в его жизнедеятельности.

Процесс разложения пластика протекает достаточно медленно - бактерии "доели" пленку, которую им предложили ученые, только через шесть недель после начала эксперимента. Но учитывая то, что подобный пластиковый мусор "живет" на свалках примерно по 70-100 лет, добавление колоний Ideonella sakaiensis в мусорные кучи может заметно ускорить его разложение. Кроме того, ученые предполагают, что для переработки и уничтожения пластика можно использовать и синтетические версии ферментов.

5 Рейтинг 5.00

- 5.0 out of 5 based on 3 votes

Студентка вывела бактерии, перерабатывающие пластик

В скором времени вопрос о быстром уничтожении свалок полимерных материалов может быть полностью решен благодаря открытию, которое сделала 23-летняя аспирантка кафедры прикладной биологии и микробиологии Анна Каширская из Астрахани.

Эксперимент юного ученого продолжался почти десятилетие. Анна начала работать с бактериями еще в 2006 году, когда посещала занятия кружка «Юный микробиолог» при АГТУ. Ныне Каширская уже сама руководит молодыми дарованиями – слушателями этого кружка. На протяжении этого времени ей удалось выделить бактерии, практически полностью растворившие в воде полимерный материал.

Ее открытие вызвало интерес не только у специалистов. Высокую оценку работа Каширской получила и у руководства региона, в частности, у губернатора Астраханской области Александра Жилкина, пообещавшего всемерно поддерживать не только Анну, но и других молодых астраханских ученых.

Анна рассказывает следующее:

« Семья у меня самая обычная: мама, папа, младший брат. С наукой никто не связан, хотя младший брат стал ходить также в творческое объединение «Юный микробиолог» под моим руководством. Помимо обучения в аспирантуре, являюсь ассистентом и ведущим инженером кафедры «Прикладная биология и микробиология» АГТУ. Являюсь руководителем «Юного микробиолога», в котором и сама начинала обучение микробиологии. Хобби у меня очень много. С раннего детства занималась вокалом, участвовала во многих областных и всероссийских конкурсах. Кроме того, училась в музыкальной школе по классу фортепиано и гитаре. На протяжении 11-ти лет занималась волейболом. Еще люблю шить мягкие игрушки.»

Экологические проблемы не оставляют равнодушными людей. Существует много способов, которыми утилизируют пластиковые отходы. Чаще всего это обычное сжигание, захоронение. Вы понимаете, что это наносит серьезный вред окружающей среде. В настоящее время общественность активно пытается продвигать «зеленые технологии» в различных сферах (экологическое биотопливо, биоупаковки и т.д.). Я очень надеюсь, что моя разработка получит свое логическое завершение и внедрение в экологию нашего региона, а может даже и России, и это позволит снизить нагрузку, которая оказывается на биосферу от такого количества скопившегося пластикового мусора. Конечно, хотелось бы внедрить раствор на основании моей разработки по всей стране. Его можно было бы периодически распылять над полигонами, где складируется весь полимерный мусор. А грибы уничтожали бы его постепенно. Это значительно ускоряло бы процесс распада пластика. Продукты распада, кстати, могут быть использованы в качестве удобрений. Таким образом, получается абсолютно безотходное производство.»

Ученые создали фермент, способный уничтожать пластик, а особенно хорошо он справляется с пластиковыми бутылками. Это достижение позволит справиться с огромным количеством пластика, загрязняющего планету.

В 2016 году на свалке в Японии были обнаружены бактерии, способные поглощать пластик. На процесс, обычно занимающий столетия, у них уходили считанные дни. Теперь же ученым удалось определить структуру фермента, который бактерии для этого используют, и синтезировать его. Когда команда протестировала полученный фермент, оказалось, что он справляется с полиэтилентерефталатом (ПЭТ), из которого делают бутылки для напитков, еще лучше оригинала.

«Оказалось, что мы улучшили фермент. Мы были немного шокированы, - говорит профессор Джон Макгихан из Портсмутского университета в Великобритании. - Это настоящее открытие. … Это скромное улучшение, на 20%, но не в этом дело, - рассказывает Макгихан. - Произошедшее показывает, что фермент еще не оптимизирован. Это дает нам возможность использовать все технологии, которые годами применялись в разработке других ферментов, и создать фермент, работающий сверхбыстро».

Исследователи определили структуру фермента, используя синхротрон Diamond, способный производить мощное рентгеновское излучение, которое позволяет разглядеть структуру отдельных атомов. Фермент оказался похожим на тот, что бактерии обычно используют для разрушения природного полимера кутина - воска, которым часто покрыта кожица плодов.

«Мы надеемся использовать этот фермент, чтобы разложить пластик на его составляющие, а затем снова использовать их для производства пластика. Это значит, что не нужно будет добывать еще больше нефти и что можно будет уменьшить количество пластика в окружающей среде», - отмечает Макгихан.

Одно из возможных улучшений - пересадить фермент бактериям-экстремофилам, способных выдерживать температуру выше 70°С - при ней плавится ПЭТ, а в расплавленном виде он разлагается в 10-100 раз быстрее. Также способствовать разложению пластика могут и некоторые грибки, но бактерии легче использовать в промышленных целях.

Для уничтожения других видов пластика можно будет использовать бактерий, которые в настоящее время эволюционируют в окружающей среде, уверен Макгихан. Хотя большая часть пластика находится в океане, исследователи рассчитывают, что можно будет доставить поедающие пластик бактерии к этим скоплениям мусора.

«Я думаю, это очень интересная работа, которая показывает, что есть потенциал для использования ферментов в борьбе с растущей проблемой отходов, - считает химик Оливер Джонс. - Ферменты нетоксичны, биоразлагаемы и их можно получить с помощью микроорганизмов в больших количествах».

Берточини, научный сотрудник Испанского института биомедицины и биотехнологий, заинтересовалась феноменом и провела вместе с биохимиками из Кембриджа научный эксперимент. Были взяты около сотни личинок, которые поместили в обыкновенный пластиковый пакет, купленный в британском магазине, и стали ждать появления дырок. Как выяснилось, сотня гусениц способна расправиться с 92 мг полиэтилена за 12 часов.

Каждую минуту в мире продается около миллиона пластиковых бутылок. Переработке подвергаются лишь 14% из них. Многие из оставшихся попадают в океаны, загрязняя даже самые удаленные уголки, нанося вред морским обитателям и - потенциально - потребителям морепродуктов.

Сегодня из бутылок, попавших на переработку, изготавливаются непрозрачные волокна, которые становятся материалом для одежды и ковров. Но благодаря использованию фермента из них можно будет делать новые пластиковые бутылки, что избавит от необходимости производить больше пластика.

Источники: newsland.com, Facepla.net

Благодаря многолетним исследованиям удалось отыскать бактерии, которым мусор, разлагающийся в природе столетиями, идет в пищу. Это можно назвать самым настоящим прорывом в области утилизации полимерных отходов. Поэтому корреспондент "РГ" помчалась в лабораторию Астраханского государственного технического университета. Именно здесь вывели микроорганизмы, пожирающие пластик.

Разработчиком новой технологии оказалась 23-летняя Анна Каширская, аспирант кафедры прикладной биологии и микробиологии университета. Эксперимент, начатый восемь лет назад, вылился в серьезную работу, которая, как надеется ее автор, найдет применение в реальной жизни.

Сегодня изделия из полимерных материалов используются повсеместно. Пожалуй, без полиэтиленовых пакетов современному человеку сложно даже представить поход в магазин. Пластиковая тара для молока и соков решительно потеснила стеклянную. Да и промышленные предприятия активно используют именно пластиковую упаковку, которая, по данным экспертов, сегодня составляет 40 процентов всего бытового мусора. Проблема утилизации твердых бытовых отходов в регионе, как и по всей России, стоит очень остро. Ежегодно тысячи тонн отходов складируются на загородных полигонах, при этом повсеместно ощущается нехватка новых мусороперерабатывающих предприятий.

Отслужив свой срок, пластик и полиэтилен отправляются на свалку, нанося тем самым огромный вред экологии. В Астраханской области, да и в других регионах, это грозит катастрофой, если не изобрести современный способ утилизации. Это я понимала еще в школе, - говорит Анна Каширская.

В 2006 году, будучи в девятом классе, Анна, увлеченно занимавшаяся в кружке при АГТУ "Юный микробиолог" (сегодня она, кстати, его уже возглавляет), начала опыты.

Восемь лет назад я взяла фрагмент полиэтиленового пакета размером четыре на четыре сантиметра и погрузила в обычную дистиллированную воду, куда добавила немного почвы с местного пустыря и два процента неорганических солей. Через месяц на поверхности воды образовалась зеленая пленка - это были водоросли. Разумеется, жидкость испарялась. Чтобы процесс шел непрерывно, я регулярно пополняла раствор водой, - говорит моя собеседница.

Периодически экспериментатор брала смывы с поверхности подопытного пакета. Вскоре ей удалось выделить бактерии, которые образовывались на нем постоянно. Ими оказались плесневые грибы микромицеты, для которых источником питания служит полиэтилен.

В процессе исследования под микроскопом выяснилось: грибы, растущие на поверхности полиэтилена, потребляют его частицы. При этом структура полиэтилена нарушилась. За восемь лет "испытуемый" потерял в весе около 30 процентов и стал очень хрупким, его прочность снизилась на 96 процентов, - констатирует научный сотрудник.

Получается, еще совсем чуть-чуть и пакет полностью растворится.

Было бы просто замечательно использовать достижение за пределами лаборатории. Для этого первым делом необходимо ввести раздельный сбор мусора. Чтобы, к примеру, пластиковые отходы собирались и свозились отдельно от других.

И что, их надо будет замачивать в растворе и выдерживать десятилетиями? - интересуюсь я.

Зачем же? Полученный раствор можно было бы периодически распылять над полигонами, где находит свое вековое пристанище весь полимерный мусор. А грибы медленно, но верно делали бы свое дело. В любом случае это ускорит процесс распада пластика, - уверена микробиолог.

Вот он, тот самый пакет. Анна подхватывает его аккуратно пинцетом со дна стеклянной банки. В других емкостях также лежат частицы полиэтилена. Для них старались создать другие условия. Например, перекрывали доступ кислорода крышкой, нагревали и охлаждали, экспериментировали с количеством солей и различным PH. Но оказалось, грибам - пожирателям пластика воздух просто необходим. А оптимальной для них является комнатная температура.

Кстати, продукты распада могут быть использованы в качестве удобрений. Таким образом получается безотходное производство, - приводит последний аргумент Анна Каширская.

Губернатора Астраханской области Александра Жилкина, присутствовавшего на конференции молодых ученых, где выступала Анна Каширская, очень заинтересовала разработка.

Данный проект будет поддержан региональным правительством. Мы также намерены стимулировать молодых ученых, чтобы они смогли добиться более впечатляющих результатов и сократить срок разложения полимерных отходов, которые сегодня складируются на астраханских полигонах, - подчеркнул глава региона.

За плечами астраханской изобретательницы участие во многих конференциях, где она с во­одушевлением рассказывает о своем способе защиты экологии. Девушка уже стала победителем молодежного научно-инновационного конкурса "УМНИК". Полученный грант - 400 тысяч рублей Анна планирует потратить на дальнейшие эксперименты и обустройство лаборатории.

Кстати

Полиэтилен является одним из самых трудно разлагаемых веществ. Он обладает высокой прочностью, водостойкостью и является химически инертным. Существуют различные способы утилизации полимерных отходов (захоронение, сжигание, вторичная переработка), но эти методы имеют ряд недостатков. В Астраханской области не производится вторичная переработка пластика. По некоторым данным, лишь 53 процента мусорных свалок из 300 являются санкционированными. При нагревании и сжигании пластика образуются токсические вещества, в том числе угарный газ, формальдегид и многие другие. Они чрезвычайно вредны для здоровья, являются причиной возникновения тяжелых заболеваний, в том числе онкологии. Применение астраханской биотехнологии способствует снижению токсических веществ и позволяет добиться уничтожения полиэтилена в десятки раз быстрее, чем в природной среде.

Бутылки из ПЭТ

Matt Montagne / Flickr

Японские биологи нашли новый штамм бактерий, который способен перерабатывать полиэтилентерефталат (ПЭТ) - один из самых распространенных видов пластика. Со статьей можно ознакомиться в журнале Science , кратко ее изложение приводит Американская ассоциация содействия развитию науки.

Авторы собрали несколько сотен образцов почвы и грязи вблизи завода по переработке бутылок из ПЭТ и проанализировали, какие виды бактерий обитают в таких условиях. Среди образцов биологам удалось выделить штамм бактерий Ideonella sakaiensis 201-F6, который оказался способен гидролизовать пластик с помощью специальных ферментов. По словам авторов, эти бактерии способны переработать тонкую (0.2 миллиметра) пленку полиэтилентерефталата за шесть недель при температуре 30°C. Важно отметить, что организмы не только разрушают полимер, но и используют его для получения энергии.

Пленка полиэтилентерефталата, разрушенная бактериями

Бактерии гидролизуют полимер в две стадии. На первой он превращается в низкомолекулярное вещество, моногидроксиэтиловый эфир терефталевой кислоты. За это превращение отвечает фермент, названный учеными ПЭТазой. Затем происходит разложение мономера с помощью следующего фермента, МЭТазы - в результате образуется терефталевая кислота и этиленгликоль, дальнейшие превращения которых хорошо описаны.

Схема метаболизма полиэтилентерефталата

Yoshida et al. / Science, 2016

Авторы отмечают, что ПЭТаза не имеет близких аналогов у родственных бактерий, что может указывать на быструю эволюцию. По словам биологов, это еще раз подтверждает, что различные виды способны очень быстро приспосабливаться к изменениям окружающей среды.

Хотя активность фермента гораздо выше, чем у других аналогов, способных разрушать пластик, он все еще недостаточно эффективен для коммерческого использования. Авторы надеются получить ответ на вопрос, что делает его активнее - это может помочь создать новые, искусственные ферменты, с помощью которых быстрая утилизация бытовых отходов станет возможной.

Владимир Королёв