Учёные из Техасского университета сообщили о разработке нового фермента, способного утилизировать миллионы тонн пластиковых отходов, накопленных на мировых полигонах. Данный фермент, получивший наименование FAST-PETase, обладает функциональными, активными, стабильными характеристиками и устойчивостью к условиям окружающей среды. Он способен расщеплять ПЭТ-пластик в течение суток или, в крайнем случае, в течение недели, тогда как естественные процессы требуют для этого сотен лет. Подобные сообщения о достижениях в области переработки пластика не являются новинкой. В данной статье мы проанализируем причины такого внимания. С момента первой демонстрации в 2008 году, когда семнадцатилетний Даниэль Бард представил бактерии, разрушающие пластик на 43% на научной ярмарке, разработка новых ферментов для утилизации пластика стала предметом пристального научного интереса. С тех пор сообщалось о повышении скорости расщепления пластика в два, три или шесть раз.

Так почему же мы в лучшем случае сортируем пластик на переработку, пока в новостных лентах мелькают все новые сообщения о «мусорных полигонах»?

Пластик разнообразен

Ферменты, перерабатывающие пластик, способны работать только с одним его видом; редко с несколькими. Обычно это ПЭТ (полиэтиленгликольтерефталат), составляющий всего 20% всех пластиковых отходов. С точки зрения химии, разрушить его гораздо легче, чем полиэтилен или полипропилен, которые используют для упаковки.

На сегодняшний день наиболее известным микроорганизмом, перерабатывающим пластик, является Ideonella sakaiensis — бактерия, обнаруженная в 2016 году в образцах почвы, взятых около фабрики по переработке пластика в Японии. В определенных условиях она расправляется с пластиком за шесть недель — но только с ПЭТ. В мире используют тысячи видов пластика, и ПЭТ — лишь малая его часть. По мировым объемам производства в 2015 году он занимал всего шестое место среди всех видов пластика. Ideonella не осилит пластиковые крышечки или соломинки — они сделаны из полипропилена. Бутылки от шампуня, пакеты, оберточную пленку — это все сделано из полиэтилена разной плотности. Упаковочный наполнитель отпадает — в его основе полистирол. Так же, как губки и монтажная пена — они из полиуретана.

Конечно, на Ideonella перерабатывающие организмы не заканчиваются. Некоторые виды мучных червей могут поедать и перерабатывать пенопласт. А определенные виды грибков — разлагать полипропилен на 90%. Но для подавляющего большинства пластиков в мире свой супергерой еще не найден и не факт, что будет найден. У бактерий были миллионы лет, чтобы научиться разлагать древесину, фрукты и другую органику. С пластиком же они впервые столкнулись только в середине прошлого века.

Мировые объемы производства полимерных смол и волокон в миллионах тонн. Источник

Подбирать свой организм под каждый вид пластика — занятие совершенно неблагодарное, поэтому стоит задуматься о чем-нибудь универсальном. Впрочем, закончиться это может плачевно, и ниже мы приведем пример такого сценария.

Нужны определенные условия

Многим микроорганизмы очень капризны и перерабатывают пластик только в ограниченном диапазоне температур, в специальной среде или в течение продолжительного времени. Чем строже условия, тем сложнее масштабировать решение. О переработке пластика в естественной среде тогда не может быть и речи.

Чтобы что-то реально изменить, в природу придется выпустить невероятное число подобных организмов. Но бактерии не пчелы, сами к «цветку» не полетят. Без внешних факторов — ветров, океанических течений или хотя бы бульдозеров — бактерии не могут преодолеть сколь-нибудь значимое расстояние. Конкуренция на этом биологическом уровне очень высока, выживает сильнейший — то есть тот, кто освоил нужную среду обитания, а не подсаженный нами микроорганизм. Нельзя взять и распылить ферменты/бактерии над Большим тихоокеанским мусорным пятном; многие просто не доберутся до лакомого кусочка.

Более оправданным здесь представляется подход, используемый в водоочистных сооружениях: мы заселяем бактерии в специальных резервуарах и скармливаем им то, от чего хотим избавиться. Так уже работают с другими видами отходов. Но здесь мы сталкиваемся с дополнительными расходами на транспортировку мусора к местам переработки. Учитывая масштаб проблемы, расходы будут немаленькие.

Это дорого, а пластика меньше не становится

Большинство ферментов расщепляет пластики-полимеры на мономеры, которые пригодны лишь для повторного создания пластика.

Это приводит нас к двум проблемам. Объемы пластика в мире не уменьшаются, как ни крути. При этом производство пластика с нуля — это довольно дешево. Строительство заводов по переработке, доставка тонн сырья и обеспечение условий для бактерий в итоге обеспечит нас сырьем, которое не стоит ничего. Бизнес-модель очень сомнительная.

Даже если в будущем появятся ферменты или бактерии, которые смогут перерабатывать пластик в естественных условиях, это может быть очень опасно. Такие бактерии могут выделять токсичные отходы и разрушать еще используемый пластик — например, в девайсе, с которого вы читаете этот пост.

Сегодня ферменты и бактерии могут быть использованы только в рамках каких-то существующих систем переработки. Ничего принципиально нового они не предлагают: нам все еще нужно сортировать, собирать и отправлять пластик на перерабатывающие заводы.

Всë правда безнадежно?

Нет, есть хорошие новости. Как упоминалось в начале поста, в Техасском университете в Остине открыли фермент, способный перерабатывать пластик за считанные часы при относительно доступной температуре в 50 °C. Для развития этого фермента используется машинное обучение.

Недавно французская фирма Carbios запустила производственную линию на основе расщепленного ферментами пластика. На ней уже успешно выпускают бутылки из ПЭТ. И, хотя выше мы говорили, что общее количество пластика от этого не уменьшается, повторное использование — это все равно хорошо. К 2024 году компания рассчитывает выйти на коммерческие масштабы работы. Таким образом можно будет успешнее перерабатывать пластик из смешанного мусора.

Параллельно ученые разрабатывают биоразлагаемые материалы, способные заменить пластик. В MIT, например, это делают на основе целлюлозы. Английская компания Notpla использует водоросли и другие растения для создания пленок и различных покрытий на замену пластиковым. В Европе законодатели стремятся к тому, чтобы со своей стороны ограничить использование пластика, сложного для переработки.

Микроорганизмы для переработки пластика обычно находят в природе, а потом совершенствуют. Но некоторые ученые предлагают варианты полностью собственной разработки. В 2019 году группа австралийских ученых представила исследование, посвященное переработке микропластика посредством окисления, ускоренного с помощью углеродных материалов, и последующего разложения в результате взаимодействия с водой при определенных температурах. Звучит вроде бы просто, но чтобы все заработало, требуется сложнейшая структура углеродных нанотрубок. Да и само исследование — это лишь первый шаг в длиннющей цепочке к продакшену, которая может оборваться в любой момент.

Красная селедка

Среди экоактивистов популярно мнение: переработка пластика в рамках общей экологической ситуации — это то, что англичане называют red herring («красная селедка»); нечто, отвлекающее нас от более важной проблемы. Пока все обсуждают закон о запрете пластиковых трубочек, они игнорируют вопросы, связанные с углеродным следом и глобальным потеплением. Бактерии могут переработать хоть весь пластик, но это не спасет нас от тающих ледников, подъема общего уровня воды, постоянных лесных пожаров и антропогенных природных катастроф.

Автор: Анна Колосова @Hanamime
Источник: https://habr.com/