Пожиратели пластика: помогут ли микробы переработать мусор и чем это нам грозит

Из пластикового мусора можно делать химикаты, лекарства и другие полезные продукты. Важно только правильно подобрать генно-модифицированные бактерии или грибы, утверждают авторы научной статьи в журнале Nature Sustainability. Они создали прототип производственной линии и переработали старые бутылки в ценные вещества. Однако у подобных технологий могут быть весьма неприятные последствия, если созданные учеными микробы выйдут из-под контроля.

Нежеланное долголетие

Потребители ценят пластик в том числе за то, что он не гниет и не плесневеет. Эти качества объясняются просто: природные микроорганизмы не умеют питаться пластмассой. У такой «несъедобности» есть оборотная сторона. Натуральные материалы разлагаются до веществ, включенных в естественный круговорот — например, углекислого газа и воды. Пластиковый же мусор не разлагается, а механически разрушается под действием трения, перепада температур и других факторов. За несколько столетий изделие распадается до микропластика. Это все тот же пластик, но в виде частиц размером от миллиметра до микрометра. Попадая в пищу, воду и почву, он угрожает здоровью животных, а возможно, и человека.

Мода на экологичность породила спрос на биоразлагаемую упаковку. Чаще всего она состоит из обычного полимера, например, полиэтилена, а биоразлагаемой является только добавка, скрепляющая пакет в единое целое. За два-три года она разлагается, и изделие превращается во все тот же микропластик. Экологическая польза от такого решения сомнительна.

По-настоящему разлагаемые материалы имеют биологическое происхождение. Природа изобрела полимеры раньше человека. Та же целлюлоза — это биополимер. Из нее делают не только бумагу, но и вискозу и целлофан, который многие до сих пор путают с полиэтиленом. Еще одна альтернатива полиэтилену — полимолочная кислота, которую получают из крахмала.

Однако полиэтиленовые пакеты не зря пришли на смену целлофановым. Синтетические пластики дешевле и проще в производстве. Да и выдержит ли лесное и сельское хозяйство переход на натуральные материалы — большой вопрос.

Идеально было бы не отказываться от популярных пластиков, а перерабатывать их во что-то полезное. Над методами такой переработки трудятся не только химики, но и биотехнологи.

Если природные микроорганизмы не могут справиться с пластиком, то можно их «переделать» с помощью генной инженерии. Благо редактирование ДНК микробов давно стало рабочим инструментом для биотехнологов.

Валюта для микробов

Предложено много методов биологической переработки пластика. Однако большинство из них следует принципу «одна технология — один продукт». Это затрудняет прогресс, ведь каждое решение придется доводить до рентабельности по отдельности. Например, из полиэтилентерефталата (ПЭТ), известного всем по пластиковым бутылкам, можно вырабатывать парацетамол. Но даже если весь парацетамол в мире будет получаться таким способом, это не решит проблему с горами пластиковой тары: рынку просто не нужно столько жаропонижающего.

Авторы нового исследования сделали важный шаг: они создали экспериментальную платформу для переработки ПЭТ в самые разные продукты.

Первый этап переработки был чисто химическим. Ученые измельчили отходы из ПЭТ и подвергли их гидролизу — химической реакции с водой. В качестве продукта гидролиза образовались терефталевая кислота и этиленгликоль. Эти вещества и сами по себе востребованы на рынке, но производить их из пластика нерентабельно. Поэтому исследователи пошли дальше. Они «скормили» продукты реакции генно-модифицированной бактерии Pseudomonas putida. ДНК микроба была отредактирована так, чтобы он производил из этих веществ пируваты — это общее название для пировиноградной кислоты и ее солей.

На этом этапе уже можно было остановиться. Пируваты используются как пищевые добавки и сырье для фармацевтической промышленности. Авторы оценили себестоимость производства пируватов по новой технологии в $6 за килограмм — значительно дешевле, чем традиционными методами. Но с пируватами та же проблема, что и с парацетамолом: человечество просто не потребляет столько этого продукта, чтобы истратить на него заметную долю ПЭТ-мусора.

Поэтому ученые сделали следующий шаг. Многие микробы могут питаться пируватами. Исследователи модифицировали несколько микроорганизмов, чтобы они поедали пируват и производили полезные в промышленности вещества: синий краситель индигоидин, пищеварительный фермент амилазу, биополимер полигидроксилбутират (перспективный кандидат в по-настоящему биоразлагаемые пластики), жироподобные вещества липиды. Эксперименты увенчались успехом, правда, исследователи ничего не сообщают о рентабельности такого производства. Но сам принцип очень заманчив: ПЭТ перерабатывается в универсальную «микробную валюту», на которую можно купить у бактерий или грибков весьма широкий спектр продуктов.

Пластиковая чума?

Успехи биоинженерии не должны заслонять важный вопрос. Готовы ли мы жить в одном мире с микробами, умеющими быстро уничтожать пластик? Пусть на перерабатывающих заводах в герметичных реакторах живут микробы, за неделю разлагающие очередную порцию полиэтиленовых пакетов. Однажды в результате аварии или халатности эти организмы вырвутся наружу. Вскоре они появятся в домах, на складах, в магазинах — везде, где так много чрезвычайно вкусного полимера. Последствия описывать излишне.

В исследовании, о которым мы рассказывали выше, эта проблема стоит не так остро. Генно-модифицированные бактерии разлагают не сам пластик, а продукты его гидролиза, которыми мы не пользуемся в быту. Однако это не означает безопасности в долгосрочной перспективе.

Микробы не питаются пластиком не потому, что он принципиально несъедобен. У них просто не было времени этому толком научиться, ведь человечество использует пластмассу менее 100 лет. Несколько видов бактерий уже освоили разложение некоторых видов пластика без всякой помощи биоинженеров. Правда, пока они делают это медленно и неэффективно. Однако микробы чрезвычайно быстро размножаются, легко мутируют и охотно обмениваются генами, в том числе между совершенно неродственными видами. В связи с этим они эволюционируют с головокружительной скоростью. Наглядный пример: бактерии за считанные годы приобретают устойчивость к новым антибиотикам. Если ученые помогут микробам сказать «а» в деле усвоения пластика или близких к нему веществ, то совершенно неконтролируемая эволюция может произнести и остальные буквы. Мы рискуем однажды проснуться в мире, где срок годности любых изделий с пластиковыми частями, от бутылок до бытовой техники, измеряется неделями.

Можно возразить, что человечество умеет работать с субстанциями, которые нельзя выпускать наружу. На каждом химическом заводе циркулируют многие тонны ядовитых или взрывоопасных веществ, в атомных реакторах используется радиоактивное топливо, а в лабораториях хранятся штаммы особо опасных инфекций. Однако яды и радионуклиды, в отличие от микробов, не размножаются. Ущерб от химической или ядерной катастрофы будет настолько велик, сколько опасных веществ попадет в окружающую среду, и не больше. С микробами все гораздо сложнее. Возбудитель ковида распространился по миру за какой-то год, несмотря на жесткие меры противодействия. А ведь вирусы не размножаются вне организма-хозяина, да и жизнеспособность вне его сохраняют недолго. Большинство бактерий и грибов умеют размножаться во внешней среде, а уж штамм для переработки пластика будет это уметь по определению. Жизнеспособность же бактериальных и грибных спор может измеряться годами. Как остановить гипотетическую «полиэтиленовую чуму», передающуюся от пакета к пакету через любые поверхности и человеческие руки? Вероятно, никак.

Трудно сказать, в полной ли мере биотехнологи осознают эту опасность и как собираются ее предотвратить. Но, вероятно, чисто химические методы переработки пластика были бы безопаснее.