Чи зможе наука врятувати Землю від сміття?
В кінці 2010-х стало ясно, що пластикове забруднення — не просто страшилка з виступів екоактивістів: ця проблема стосується кожного. Кількість звалищ і сміттєспалювальних заводів зростає, а мікрочастинки повільно розпадається пластику тим часом проникають всюди: вчені вже виявили їх в арктичних льодах, на дні Маріанської западини і навіть у людських екскрементах. Розбираємося, як винаходять нові способи утилізації сміття, комахи можуть перетравлювати пластмасу і як зробити наукове відкриття на найближчій звалищі.
Як і навіщо утилізують сміття сьогодні?
По-перше, пластикових відходів і правда дуже багато. У 2017 році дослідники підрахували, що з 1950-х людство виробило близько 8,3 мільярда тонн цього матеріалу — стільки важить мільярд дуже великих слонів. За оцінкою вчених, дві третини цього обсягу вже відправилися на смітники або в океан, поповнивши «сміттєві острови».
По-друге, пластикове забруднення тягне за собою чимало небезпечних наслідків. Відходи все частіше стають їжею диких тварин, а потім підіймаються вгору по харчовому ланцюжку. Автори недавнього дослідження виявили мікрочастинки пластмаси у фекаліях тюленів, які живуть в одному з британських реабілітаційних центрів для тварин: джерелом частинок виявилася риба, якою годували тюленів. Інша група вчених з’ясувала, що пластикове забруднення значно підвищує ризик розвитку хвороб у коралів.
Вплив пластику на організм тварин і людини почали досліджувати не так давно, тому не можна з упевненістю сказати, наскільки безпечні для нас частинки цього матеріалу.
Крім того, відходи змінюють вигляд планети: наприклад, Велика сміттєва пляма на півночі Тихого океану зростає з кожним роком.
Сьогодні існує кілька основних способів переробки пластику. Найчастіше застосовують механічний рециклінг: пластмасові відходи подрібнюють, плавлять і фасують в невеликі гранули, придатні для повторного використання. Менш популярні методи — розщеплення при високій температурі в присутності метанолу (метанолиз) або етиленгліколю (гліколіз), а також термічне розкладання без доступу повітря (піроліз). На жаль, ці способи вимагають ретельного сортування сміття та застосування дорогого обладнання, тому спалювання відходів досі обходиться дешевше. Дослідники і лабораторії по всьому світу шукають нові способи переробки пластику: сьогодні велика частина цих технологій здається фантастикою, але методи удосконалюються рік від року. Можливо, ці підходи стануть основою сміттєпереробних заводів майбутнього — ефективних, екологічних і недорогих.
Пожирачі пластику: переробка за допомогою комах
Комахи настільки різноманітні, що здатні з’їсти, здається, що завгодно — від зіпсованих фруктів до светрів з вашої шафи. Вчені виявили, що деяким видам комах можна згодувати і пластик — травна система тих, кого ми звикли вважати шкідниками, ефективно переробляє наш сміття, перетворюючи його в безпечні відходи. Як це відбувається і чи зможуть черв’яки і личинки замінити підприємства по сортуванню пластмаси?
У 2015 році дослідники з США та Китаю з’ясували, що личинки великого борошняного хрущака непогано почувають себе на пластиковій дієті. Кілька сотень черв’яків протягом двох тижнів годували пінополістиролом, одним з найпопулярніших типів пінопласту, і в той же час личинки з контрольної групи їли висівки. Виживаність в обох групах виявилася приблизно однаковою, пінопласт не нашкодив майбутнім жукам. У фіналі експерименту дослідники відправили на аналіз екскременти борошняних хробаків, харчувалися пінопластом: з’ясувалося, що 48 % пластику травлення личинок перетворило у вуглекислий газ, а інша половина піддалася деполімеризації — довгі полімерні ланцюжки розбилися на ланки-мономери. За день сотня личинок знищувала до 40 міліграмів пінопласту.
У 2017 році група європейських вчених під керівництвом Федерики Берточчини виявила ще один вид «пожирачів сміття». Біологам допомогло незвичайне хобі Берточчини: на дозвіллі вона розводить бджіл. Дослідниця розповідає, що вулики потрібно регулярно очищати від шкідників, в тому числі від личинок воскової молі Galleria mellonella.
Ці личинки поселяються на бджолиних стільниках і їдять все, до чого дотягнуться, — мед, пергу і віск. Одного разу Берточчини, очищаючи вулики, зібрала личинок в поліетиленовий пакет, а незабаром виявила, що комахи прогризли пластик наскрізь.
Біолог повторила досвід в лабораторії і з’ясувала: сто личинок Galleria mellonella впоралися з 92 міліграмами поліетилену за 12 годин. Втім, залишалося неясним, комахи можуть зруйнувати пластик повністю, або їм під силу лише подрібнити його. Щоб перевірити це, біологи розтерли личинок молі в густу пасту, а потім обробили нею поліетилен — на думку вчених, такий пасті зберігаються всі речовини, які могли б сприяти розпаду матеріалу. Результати виявилися скромніше, але близько 13 % пластику все-таки вдалося розчинити. За словами Берточчини і її співавторів, травна система личинок добре пристосована до того, щоб руйнувати вуглецеві зв’язку C–C у бджолиному воску, тому вона може впоратися з подібними структурами і в складі поліетилену, виділяючи при цьому двоатомний спирт, етиленгліколь. Дослідники поки не знають, які механізми допомагають комахам це робити: можливо, справа в ферментів, які виділяють мікроорганізми, що живуть в кишечнику личинки.
Втім, деякі вчені вже засумнівалися в теорії Берточчини. Німецькі дослідники повторили досвід, але замість пюре з личинок нанесли на пластик свинячий фарш і яєчний жовток. Результат вимірювали тим же методом інфрачервоної спектроскопії, що і в оригінальному експерименті, і спектрограма виявилася дуже схожа на ту, що отримала Берточчини. Це не означає, що личинки воскової молі не можуть переробляти сміття: результат роботи німців показує, що говорити про нової технології переробки вчені зможуть лише після того, як розберуться, який саме процес в кишечнику молі допоміг зруйнувати поліетилен у перших експериментах.
Група «Гриби»: грибок проти звалища
Ще один несподіваний союзник в боротьбі за чисту планету — грибки. У 2017 році це з’ясували вчені з Китаю та Пакистану: у пошуках організмів, здатних руйнувати сміття, вони відправилися на звалище в Ісламабаді. Із зразків свалочной грунту вчені виділили грибок, що руйнує поліуретан. Хоча цей матеріал — не пластик, технології його утилізації не менш важливі: з поліуретану роблять безліч речей від автомобільних шин до підошов черевиків.
Увагу вчених привернув грибок Aspergillus tubingensis, близький родич добре знайомої нам «чорної цвілі» Aspergillus niger.
Вміння грибка розкладати поліуретан протестували спочатку в лабораторії, а потім і в польових умовах — матеріал обробляли грибком і заривали в грунт.
Найкраще Aspergillus tubingensis працював у желеподібної живильному середовищі з агар-агару, але і в грунті він непогано справлявся із завданням. Дослідження методом інфрачервоної спектроскопії показало, що грибок дійсно руйнує хімічні зв’язки поліуретану.
Автори цієї роботи — не єдині, хто здійснив відкриття на звалищі. Те ж саме вдалося зробити вченим з Індонезії: з допомогою грибків Aspergillus nomius і Trichoderma viride вони змогли знищити низкоплотный поліетилен, який часто використовують у виробництві пластикових пакетів. Недолік цього методу в тому, що потрібні реакції йдуть повільно, за 45 днів грибок з’їв лише 5-7 % пластикових зразків. Зараз кілька груп вчених по всьому світу шукають умови, при яких грибки зможуть знищувати пластик швидше — можливо, реакції прискорюються при певній температурі або рівні кислотності середовища.
Мікросвіт за чистоту: бактерії, що руйнують пластик
Всі дослідники, які вивчають переробку з допомогою комах та грибків, приходять до висновку: найважливішу роль у цьому відіграє мікрофлора організмів-«пожирачів». Якщо вдасться з’ясувати, що це за мікроби, той же механізм можна буде відтворити без участі грибка або личинок.
У 2016 році такий штам бактерії Ideonella sakaiensis вдалося отримати японським біологам. Джерелом знову стали зразки ґрунту та бруду — вчені зібрали їх неподалік від заводу з переробки пляшок із ПЕТ (поліетилентерефталату), одного з найпопулярніших у світі пакувальних матеріалів. На залишках пластику мешкало кілька типів бактерій, але штам 201-F6 виявився єдиним винуватцем розкладання ПЕТ.
Ці бактерії виділяють особливі ферменти, які отримали назви «ПЭТаза» і «МЭТаза», — вони запускають серію реакцій, що дозволяють розкласти пляшковий пластик на дві менш токсичних складових, терефталевую кислоту і спирт, етиленгліколь.
За словами біологів, нові ферменти руйнували ПЕТ ефективніше і швидше, ніж похідні інших «пластикоядных» бактерій, наприклад, мешкає в гнойових купах Thermobifida fusca. Вчені говорять, що їм не вдалося знайти аналогів ПЭТазы у бактерій-родичів Ideonella sakaiensis. Можливо, це говорить про те, що фермент виник у ході еволюції звалищних бактерій: так мікроорганізми не тільки пристосувалися до життя в смітті, але й отримали нове джерело їжі. Біологи відкрили ПЭТазу, визнавали: фермент працює дуже повільно, на розкладання зразка тонкої пластикової плівки у них пішло шість тижнів навіть при оптимальній температурі 29 °C.
Прискорити роботу ПЭТазы намагаються декілька команд вчених по всьому світу, і на початку 2018 року дослідникам з Портсмутського університету несподівано посміхнулася удача. Британці вивчали кристалічну структуру ферменту, щоб з’ясувати, як саме він розщеплює пластик на мономери, — з цього процесу починається розкладання матеріалу. Відомо, що ПЭТаза по структурі нагадує інший фермент, кутиназу, який виділяють гриби, що живуть на листі рослин: кутиназа допомагає грибів руйнувати захисну оболонку листа і проникати всередину. ПЭТазу від кутиназы відрізняє більш відкрита структура активного центру — частини ферменту, яка утримує молекули поглинається матеріалу.
Щоб розібратися, як працює ця ділянка білка, вчені створили «гібрид» — активний центр нової ПЭТазы нагадував відповідний ділянку кутиназы. Біологи припускали, що фермент з «закритим» центром буде захоплювати менше молекул і розщеплювати пластик менш активно, але тут учених чекав сюрприз: нова штучна ПЭТаза працювала на 20 % ефективніше. Крім того, фермент міг руйнувати не тільки ПЕТ, але й інший полімер, ПЕФ (поліетилен 2,5-фурандикарбоксилат). Вчені планують і далі вивчати структуру ПЭТазы, щоб «розігнати» роботу ферменту як можна сильніше: поки реакції руйнування все ще йдуть занадто повільно.
Ще багато-багато раз: вторинне використання пластику
Повністю знищити пластик нелегко, але є ще один підхід, що дозволяє зменшити кількість сміття, — повторне використання матеріалу. Наприклад, пляшки з ПЕТ подрібнюють на дрібні пластівці, які потім стають сировиною для виготовлення тканин, утеплювачів або нових пляшок. Проте дрібні предмети незабаром знову доведеться викидати, і не факт, що вони потраплять в переробку, а не на звалище.
Щоб збільшити цикл використання пластику, дослідники пропонують робити з відходів «довгограючі» об’єкти — наприклад, додавати його в дорожнє покриття.
Сьогодні дорожнє полотно найчастіше покривають асфальтом: сумішшю піску і гравію з різними бітумами. Інженери пропонують замінити частину бітуму на пластикові гранули, щоб зробити покриття міцніше і довговічніше (один з виробників заявляє, що його розробка на 60 % міцніше традиційного асфальту). Наскільки ці обіцянки відповідають дійсності, можна буде перевірити в найближчі роки: таку дорогу планують побудувати на території Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.
Нові методи виглядають багатообіцяюче, але жоден з них ще не почали застосовувати на практиці. Пройдуть роки, перш ніж комахи, грибки або штучні ферменти всерйоз візьмуться за переробку нашого сміття. Втім, зменшити обсяги пластикового забруднення ми можемо вже сьогодні, сортуючи відходи та скорочуючи їх обсяг.
Наука і технології