В издательстве Individuum вышла книга Андрея Яковлева «Страна отходов». Для ее написания он узнал о мусоре все: посетил свалки, поговорил с экологами, исследователями и чиновниками, а также сам попробовал компостировать мусор дома. Мы публикуем отрывок из главы о том, могут ли бактерии, жуки и другие организмы помочь человечеству решить проблему свалок.

Бактерии из гейзеров

А что если от мусора нас спасут не продуманные до мелочей системы обращения с отходами, не государственные реформаторы и ответственные корпорации и даже не сами люди, а нечто иное? Что-то, что мы даже не можем толком разглядеть? Один из альтернативных вариантов борьбы с пластиком — утилизация с помощью живых организмов, например бактерий. Поиском и исследованием микроорганизмов, которые будут питаться только пластиком, занимаются во всем мире, в том числе на кафедре микробиологии МГУ. С ее научным сотрудником Иваном Бубновым я и решил пообщаться.

Изучать такие бактерии на кафедре начали недавно, в 2018 году. Микроорганизмы поедают пластик довольно медленно, поэтому пробы, которые сделали еще летом 2018 года, дали результаты только осенью 2019 года. Проба — это пластик c посеянными бактериями в стеклянной колбе. В одной колбе их десятки тысяч. Бактерии брали из двух мест. Первая группа ученых взяла уже изученные бактерии из коллекции кафедры МГУ — они эффективно разрушают разные полимеры (среди них хитин, лигнин, целлюлоза и птичьи перья). А вторая группа ученых ездила за микробами в экспедиции к термальным источникам, то есть гейзерам. Там живут бактерии, которые приспособлены к жизни в экстремальных условиях: высокие температуры, давление и мало еды. Вдобавок в этих местах либо очень кисло, либо солено. Такие бактерии могут жить при температуре выше 100 градусов. Выбрали именно их, потому что в такой суровой среде часто живут микроорганизмы с мощными разрушающими ферментами. И раз бактерии разрушают разные вещества, то, возможно, их получится «натравить» и на пластик.

«Природа великолепно создает новые вирусы и бактерии, причем не просто так, а под конкретную задачу. Все бактерии в природе пытаются специализироваться. Например, хорошая специализация для бактерий — жрать что ни попадя. Другая стратегия — разрушать сложные вещества, — рассказывает Иван Бубнов. — Мы же ищем бактерии, которые вырабатывают не то чтобы универсальные ферменты, но такие, которые позволяют ломать много разных субстратов. И мы рассчитываем, что именно в экстремальных местах нам удастся найти таких мощных ребят».

Бактерии брали вместе с илом, в котором они жили, поэтому какое-то время бактерии продолжают питаться илом и в пробирке. При этом ученые не знают, какие точно бактерии содержатся в том или ином гейзере — возможно, там есть такие, которые не известны человечеству в принципе. Какие-то взяли из ила при температуре 50 градусов, какие-то при температуре 65 градусов, 80 и так далее. Отличались они и средой обитания: она могла быть щелочной, морской или нейтральной. Бактериям из гейзеров предложили на выбор семь видов пластика: каждого примерно по сантиметру в отдельной пробирке. Иван лично подготовил около 200 пробирок с разными бактериями. По сути, задача ученых заключается в том, чтобы среди всех проб «поймать» ту самую бактерию, которая быстро и охотно будет есть пластик. Иван называет себя и коллег охотниками за микробами.

 Существует теория, согласно которой рано или поздно появится жизнь, поддерживающая себя за счет пластика

Пластик как еда будущего (для бактерий)

Бактерии для него — это нечто наподобие магии. «Микроорганизмы населяют вообще все, включая нас. И взаимодействуют они со всем живым на Земле и со всем неживым. Причем крутят они материей как хотят. Практически вся материя, которую мы с вами видим, получилась под воздействием этих самых микроорганизмов. Проходят эпохи, меняются континенты, а в основе всего лежат эти же маленькие ребята и потихонечку всем управляют, всеми биогеохимическими циклами и превращением веществ друг в друга. Меня это вдохновляет», — рассказывает Иван. Однако сейчас он не может полноценно заниматься наукой: зарплата ученого на кафедре приносит около 20 тысяч рублей в месяц, а раньше и вовсе 9 тысяч. Чтобы выжить, Иван много занимается репетиторством: готовит школьников к ЕГЭ по биологии.

Бактерии ели пластик в течение полутора лет, по завершении этого периода у ученых возникла проблема с тем, как оценить их эффективность. Можно посмотреть, изменилась ли прочность пластика, пытаясь его разорвать. Или проверить молекулярный вес пластика, который может показать, что в его структуре были длинные соединения молекул, а стали короткие. (Однако в этом случае есть шанс, что бактерии не полноценно перерабатывают пластик, а просто дробят его на куски, образовывая микропластик. Также в пластик часто добавляют разные добавки, и есть риск, что бактерии съели именно их в первую очередь, а не сам пластик.) Еще можно выяснить, появились ли следы окисления в пробирке (окисление — один из способов, которым бактерии могут разрушать пластик). Или же попытаться оценить эффективность ферментов бактерий. Как сделать лучше, пока не решили.

Когда через пять месяцев после начала эксперимента ученые посмотрели на пластик в микроскоп, оказалось, что он уже поменял структуру. «Поверхность одного из образцов — пластика ПВХ от обложки школьной тетрадки, который не подвергался воздействию микроорганизмов, — плоская, а у такого же пластика, который ели бактерии, — волнистая, — рассказывает Иван. — Я сперва думал, что это налет. Но физики-химики сразу сказали, что бактерии съели аморфное вещество». Иными словами, они съели верхний слой пластика, который «плохо закреплен». Однако непонятно, смогут ли бактерии съесть оставшийся пластик и что все-таки они делают: полностью перерабатывают пластик или просто расщепляют его на мелкие кусочки?

Положительные результаты, по оценке Ивана, удастся получить в 2022 году. К этому времени из нескольких поставленных проб выберут две-три бактерии, с которыми и будут дальше работать. Но в целом Иван сомневается, что они найдут волшебную бактерию, которая будет охотно есть пластик. «Если экосистема до сих пор не сформировала способ перерабатывать пластик, то, может быть, такого способа и не существует». Ученый говорит, что, по идее, как только пластика становится много и он становится для бактерий хорошим источником питательных веществ, они должны его охотно поедать. Но этого почему-то не происходит. Может быть, нужные бактерии живут в сверхэкстремальных условиях, а может быть, их нужно брать в местах, где давно лежат завалы пластика. Существует теория, согласно которой рано или поздно в таких местах появится жизнь, поддерживающая себя за счет пластика.

 В 2015 году несколько сотен личинок мучника две недели питались только пенополистиролом

Грибы и жуки

Японские ученые, к примеру, взяли для изучения микроорганизмы из грязи возле завода по переработке ПЭТ-бутылок. Оказалось, что эти бактерии едят пластик до конца — больше так не делают никакие из известных человечеству бактерий. В 2016 году японские биологи выявили штамм этой бактерии — Ideonella sakaiensis. Оказалось, что Ideonella sakaiensis производит особые ферменты, которые ученые назвали ПЭТаза и МЭТаза. Благодаря им пластик распадается на две менее токсичные части: терефталевую кислоту и спирт этиленгликоль, который используют в антифризе для машин.

Ученые говорят, что уникальных ферментов ПЭТаза и МЭТаза нет у других бактерий — родственников Ideonella sakaiensis. Это может означать, что фермент возник в результате эволюции — бактерии научились есть и перерабатывать мусор. Однако и эти микроорганизмы съедают пластик очень медленно: тонкую пластиковую пленку при оптимальной температуре в 29 градусов они съели за шесть недель.

Ускорить их работу пытались ученые по всему миру, и в 2018 году это получилось у исследователей из Портсмутского университета. Они изучали структуру фермента, чтобы выяснить, как именно он расщепляет полимерный пластик на мономеры. Стороннему человеку трудно будет расщепить и переварить ту информацию, что изложена в научной статье исследователей из Портсмута, — отмечу лишь, что им удалось создать новую искусственную ПЭТазу, которая позволяла есть пластик на 20 % эффективнее. Вдобавок выведенный фермент мог разрушать не только ПЭТ, но и другой полимер — полиэтилен-2,5-фурандикарбоксилат (ПЭФ), который часто называют пластиком нового поколения: он лучше перерабатывается, оставляет меньший углеродный след и может стать заменой ПЭТ в будущем.

Но это все равно слишком медленно. И даже если Иван с коллегами найдут бактерию, которая сможет есть пластик быстрее, встанет вопрос: что дальше? Вот чудо-бактерия, но как ее использовать? Как с ее помощью перерабатывать мусор? Разбрызгивать бактерии по свалке? Они не выживут. Обмазывать пластик? Снова менять весь технологический процесс и объявлять о новой реформе? Намного проще и дешевле просто его сжечь. Иван и сам не знает, каким образом можно внедрить новую технологию в производство. Он говорит, что проблема применения открытий в реальной жизни — это, в принципе, проблема всех ученых. «Я думаю, что наше счастье лежит где-то в области борьбы с микропластиком, потому что тут можно что-то сделать хотя бы со сточными водами, через которые проходит огромное его количество, — размышляет Иван. — Например, поселить на очистных сооружениях бактерии, которые жрут микропластик».

Однако бактерии — не единственное, что в будущем может спасти человечество от пластика. Ученые из Китая и Пакистана узнали о существовании грибка, который способен разрушать полиуретан, из которого делают автомобильные шины и подошвы ботинок. Грибок они вывели из свалочной земли, и он — близкий родственник обычной «черной плесени».

Исследователи из Индонезии тоже копались на свалке в поисках чего-то интересного. Они обнаружили, что грибки Aspergillus nomius и Trichoderma viride могут съесть низкоплотный полиэтилен, из которого делают пластиковые пакеты. Но грибки опять же слишком медленно выполняют работу: за 45 дней они потребили лишь 5–7 % от количества пластика в колбах. Возможно, процесс ускорится при другой температуре или уровне кислотности среды вокруг.

Миру также известно насекомое под колоритным именем большой мучной хрущак, или просто мучник. Это небольшой жук, внешней похожий на черного таракана. В 2015 году несколько сотен личинок мучника две недели питались только пенополистиролом (разновидность пенопласта). Вторую подопытную группу кормили отрубями. Выживаемость в обеих группах была примерно одинаковой. Анализ экскрементов личинок показал, что половину пластика они превратили в углекислый газ, а вторая половина распалась на микропластик. За день 100 личинок, правда, съели всего лишь 40 миллиграммов пенопласта. Главная задача всех этих ученых — понять, какие микробы в организме личинок и грибков отвечают за поедание пластика. Пока что воссоздание такой микрофлоры исследователям не дается, поэтому и задействовать эти микроорганизмы в промышленных масштабах невозможно.