Проклятие пластиковой бутылки

Ученые нашли способ борьбы с пластиковыми отходами

Пластиковые отходы заполонили мир
Фото: liuguitang.org

Автор: Сергей Лютых

Пластиковые отходы уже заполонили весь мир, включая самые отдаленные части мирового океана, стали одной из главных угроз для природы и человека, в крови которого также находят частицы пластика.

Проблема нарастает, ведь мировое производство пластика увеличивается на миллионы тонн ежегодно и, по прогнозам голландских ученых, удвоится к 2040 году. Беда в том, что на вторичную переработку пока направляется всего 9% пластиковых отходов, еще 12 сжигается, а остальное, то есть 79%, оседает в окружающей среде. Если ничего не изменить в ближайшем будущем, то уже нашим детям придется жить в прямом смысле в пластиковом мире.

Пластмассовые острова

Горы бутылок и других изделий из пластика на стихийных свалках, а еще на пляжах и в парках, где их оставляют безответственные отдыхающие, стали обычным делом. Однако до недавнего времени оставалась надежда, что в мире еще много экологически чистых, отдаленных от городов мест, где проблем с пластиковыми отходами нет. Но исследования и экспедиции последних лет показывают, что таких райских уголков, вероятнее всего, не осталось. По данным Гринпис, следы микропластика обнаружили и на Эвересте, и на дне Марианской впадины, а в мировом океане, покрывающем 70,8% земной поверхности, встречаются даже целые плавучие острова, образованные из пластиковых отходов.

В 2016 году международная группа путешественников и ученых повторила легендарную экспедицию Тура Хейердала и его команды, проплывшей в 1947-м на бальсовом плоту «Кон-Тики» из Южной Америки в Полинезию. Главная цель Хейердала заключалась в том, чтобы доказать возможность заселения отдаленных тихоокеанских островов жителями Южной Америки. Однако во время плавания члены его команды собрали множество другой важной и интересной информации о мировом океане. Никаких следов пластика они не зафиксировали. А в 2016 году участники экспедиции «Кон-Тики – 2» уже собирали в этом отдаленном от источников загрязнения регионе образцы микропластика, подтверждая, что им заражен весь мировой океан.

В северной же части Тихого океана есть так называемый Восточный мусорный континент, или Большое тихоокеанское мусорное пятно, которое также состоит преимущественно из пластика.

Микропластик внутри нас

В марте этого года было опубликовано исследование ученых Амстердамского свободного университета, обнаруживших микропластик в крови человека. В исследовании участвовали 22 анонимных донора – здоровых взрослых людей. У 17 из них в образцах крови нашли частицы пластика. Половина выявленных частиц – это ПЭТ-пластик, из которого делают бутылки для напитков. Кроме того, был обнаружен полистирол и полиэтилен. Ученые далеки от исчерпывающего понимания того, как микропластик воздействует на организм человека, однако в лабораторных условиях установлено, что он приносит вред человеческим клеткам. Частицы пластика могут цепляться за мембраны эритроцитов и тем самым ограничивать их возможность переносить кислород.

Есть масса путей для попадания микропластика в организм человека: от использования одноразовой пластиковой посуды до употребления воды из пластиковых бутылок и применения косметических средств, содержащих полимеры.

Однако, даже отказавшись от использования пластика в быту, невозможно оградить себя от этой проблемы полностью, так как микропластик содержится и в продуктах питания, особенно в рыбе, плавающей в загрязненной воде.

Задача на разложение

Как известно, пластик разлагается с очень низкой скоростью, однако она сильно отличается у разных полимеров. Так, простому полиэтиленовому пакету для полного разложения требуется 20 лет, а бутылке из ПЭТ-пластика – целых 450. В настоящее время только 9% производимого в мире пластика после использования поступает на переработку, еще 12 сжигается, а остальное лежит на организованных свалках или просто в окружающей среде. В будущем планируется увеличить долю перерабатываемого и биоразлагаемого пластика за счет внедрения новых полимеров, но как быть с устойчивым к разложению ПЭТ-пластиком, которого так много и в человеческой крови, и в мировом океане?

Важнейшую роль в решении этой проблемы сыграла бактерия Ideonella sakaiensis, обнаруженная в 2016 году в Японии. Из нее был получен фермент ПЭТаза, способный многократно ускорить процесс разложения ПЭТ-пластика, но только в очень ограниченных условиях. Одним из них, в частности, является температура: 70 °С. При всех недостатках этого процесса другие пути для борьбы с уже созданными пластиковыми отходами в научном сообществе считают бесперспективными.

«Ферментативная деградация предлагает один потенциально зеленый и масштабируемый маршрут для переработки полиэфирных отходов», – отметили ученые из Техасского университета в Остине в материале, опубликованном в журнале Nature. По их данным, ПЭТ-пластик, или полиэтилентерефталат, составляет 12% всех твердых отходов на планете. Другими словами, его присутствие в мире нельзя просто игнорировать, сконцентрировав все усилия на создании и продвижении в широкое производство более экологичных полимеров.

Авторы статьи не стали мириться ни с самим ПЭТ-пластиком, ни с недостатками гидролаз-ПЭТазы, применение которых «затруднено из-за их недостаточной устойчивости к рН и температурным диапазонам, медленной скорости реакции и невозможности прямого использования необработанных постпотребительских пластмасс». Они решили модифицировать добытый из бактерии фермент, чтобы создать настоящего убийцу пластика. Для этого потребовалось подключить систему с элементами искусственного интеллекта, основанную на машинном обучении.

Плодом работы ученых, которым они поделились в статье в Nature, стал фермент FAST-PETase. Это аббревиатура расшифровывается как «функциональная, активная, стабильная и толерантная ПЭТаза». «Наша комбинация мутанта и каркаса FAST-PETase содержит пять мутаций по сравнению с пэтазой дикого типа (N233K / R224Q / S121E от prediction и D186H / R280A от scaffold) и демонстрирует превосходную ПЭТ-гидролитическую активность по сравнению как с диким типом, так и с инженерными альтернативами, между 30 и 50 °C и диапазоном уровней pH», – объясняют они.

Только представьте себе: этот фермент способен деполимеризовать ПЭТ-пластик в срок от нескольких часов до недели не в специальной лаборатории, а в условиях окружающей среды.

«Мы демонстрируем, что необработанный, постпотребительский ПЭТ из 51 различных термоформованных продуктов может быть почти полностью разрушен FAST-PETase за 1 неделю», – утверждают авторы материала. 

В перспективе эта технология позволит проводить ферментативную переработку пластмасс в промышленных масштабах. Ученые планируют продолжать работу над созданным ферментом, чтобы его можно было применять в любой среде, очищая свалки и другие загрязненные участки.

Экологичные полимеры

Человечеству вовсе не следует отказываться от полимеров как таковых в пользу более традиционных материалов. Речь идет о необходимости перехода от, скажем так, вредных пластмасс к безвредным, то есть экологичным и безопасным для здоровья. На днях химики из Института элементоорганических соединений имени Несмеянова РАН и Новосибирского института органической химии НИОХ СО РАН отчитались о синтезе новых мономеров на основе металлокомплексов. При их соединении со стиролом получаются сополимеры, способные быстро разрушаться под воздействием обычного солнечного света.

«В процессе разрушения полимеры теряют свою прочность, постепенно превращаясь в порошок», – рассказала агентству ТАСС младший научный сотрудник лаборатории магнитной радиоспектроскопии НИОХ СО РАН Полина Калетина.

Эти новые сополимеры получают яркую окраску желтого, зеленого, красного и оранжевого цветов, а еще обладают большой термической стойкостью. Они весьма перспективны для использования в массовом производстве.