Кто съел полиэтилен? Антон Миндубаев.

Загрязнение окружающей среды — серьёзная проблема современности. Наиболее естественный и экологически безопасный способ уничтожения отходов цивилизации — биодеградация, то есть разложение загрязнителей живыми организмами — бактериями, грибами, водорослями. Но всегда ли это возможно? Оказывается — да! Даже самые ядовитые и «неразлагаемые» отходы типа полиэтилена для микробов-деструкторов — настоящее лакомство.

Наверное, каждый читатель знаком с понятием биосферного круговорота биогенных элементов — углерода, азота, фосфора, серы, железа. Слово «круговорот» указывает на замкнутость процесса: атомы элемента вовлечены в него в течение длительного времени. Именно замкнутость круговоротов элементов определяет устойчивость биосферы.

Но однажды в истории нашей планеты произошёл разрыв круговорота важнейшего для жизни элемента — углерода. Было это около 300 млн лет назад, в каменноугольном периоде. Тогда облик планеты стремительно менялся и появилась новая, доселе не встречавшаяся экосистема — лес. Лес состоит из деревьев, а деревья производят древесину. Значительную часть древесины составляет лигнин, который подвергается биодеградации лишь с помощью ферментов лакказ, продуцируемых некоторыми грибами ксилотрофами. Но в описываемое время они ещё не существовали. Поэтому после гибели дерева древесина не гнила, а обугливалась (подвергалась абиотической деструкции). Точнее, гнила, но частично: существовавшие тогда организмы-деструкторы выедали целлюлозу, а лигнин оставался и со временем превращался в уголь. Так на месте первых лесов формировались залежи каменного угля. Процесс карбонификации древесины шёл, вероятно, по той же схеме, что и на современных торфяниках: лигнин → торф → бурый уголь → каменный уголь. На каждой стадии этого процесса росло относительное содержание углерода в ископаемых остатках, то есть как раненое существо теряет кровь, так и биосфера того времени стала терять углерод. Это могло привести к катастрофе: через несколько миллионов лет значительная часть углерода из живого вещества должна была превратиться в мёртвый уголь и жизнь на Земле полностью бы погибла или была бы отброшена обратно в ранний палеозой.

Но этот страшный сценарий не сбылся. Появление лигнина — нового пищевого ресурса — открыло новую экологическую нишу, которая должна была заполниться. И со временем развились грибы, способные разлагать лигнин без вреда для собственных тканей. Благодаря биодеградации лигнина этими организмами круговорот углерода в биосфере снова стал замкнутым, что в конечном итоге привело к появлению нас с вами.

Можно привести и более ранний пример биодеградации в истории нашей планеты. Ещё задолго до появления деревьев атмосфера Земли стала насыщаться продуктом жизнедеятельности цианобактерий — агрессивным и токсичным окислителем, молекулярным кислородом О2. Для первых живых организмов и современных анаэробных бактерий кислород так же ядовит, как газообразный хлор для человека. И случилось событие, именуемое кислородной катастрофой, — массовая гибель существовавших тогда анаэробных микроорганизмов.

Но жизнь сумела приспособиться. Сначала появились аэротолерантные микробы, способные обезвреживать кислород. Позже жизнь «догадалась», что, окисляя кислородом органические молекулы, можно получить баснословное количество необходимой для жизнедеятельности энергии. И сейчас большинство форм жизни на Земле не способно существовать без кислорода.
Так что можно с уверенностью сказать: экологический кризис, охвативший Землю в наше время по вине человека, будет преодолён. Появление новых биологических видов, которые производят новые вещества, происходит постоянно. Одновременно в процессе эволюции возникают новые виды, приспособленные этими веществами питаться и возвращать их в круговорот. В свете вышесказанного ажиотаж вокруг сжигания ископаемого топлива не вполне обоснован. Ведь сейчас в биосферу возвращается тот углерод, который был из неё когда-то изъят.

ПОДСКАЗКА ПРИРОДЫ И СИЛА ЭВОЛЮЦИИ

Разумеется, было бы нерационально формировать метаболические пути биодеградации «с нуля». Гораздо проще приспосабливать под новые нужды пути, уже существующие в природе. Пример такого «приспособления» — утилизация полиэтилена — самого широко используемого искусственного полимера. Он дёшев в производстве, получается из доступного сырья, сравнительно стоек, обладает хорошими прочностными характеристиками, неядовит. Поэтому из полиэтилена делают всё — от водопроводных труб до пищевой плёнки.

По своей химической природе полиэтилен — высший алкан, состоящий из повторяющихся метиленовых звеньев –(СН2)n –, то есть его строение очень похоже на строение пчелиного воска и жиров, которые микробы давно научились усваивать. Правда, есть отличие: цепочки молекул полиэтилена значительно длиннее. Соответственно его молекулы менее подвижны и в реакции вступают хуже. Следовательно, усвоить полиэтилен микробу всё-таки труднее, чем воск или триглицерид. Поэтому полиэтиленовые пакеты даже в почве сохраняются годами.

Тем не менее полиэтилен хотя и медленно, но разлагается почвенными бактериями Pseudomonas aeruginosa. Поскольку макромолекула полиэтилена подвергается ферментативной деструкции только с конца, разветвлённый полиэтилен разлагается микроорганизмами быстрее, чем линейный. Биодеградацию полиэтилена можно ещё ускорить, если заранее ввести в него так называемые прооксиданты — вещества, которые при попадании полиэтиленового изделия в окружающую среду приобретают свойства окислителей и дополнительно рвут макромолекулы на куски.

Микроорганизмы в ряду поколений вырабатывают к ксенобиотикам всё большую устойчивость, превращаясь в специализированные штаммы-деструкторы конкретных соединений. Римма Наумова, профессор Казанского университета, в своей диссертационной работе показала пример адаптации накопительной культуры бактерий к ε-капролактаму — мономеру капрона, широко известного синтетического волокна. Первый посев показал признаки роста колонии бактерий только через четыре недели при концентрации капролактама всего полграмма в литре культуральной среды.

Четвёртый пересев продемонстрировал биодеградацию капролактама в концентрации уже 2 г/л в течение одного-двух дней! Но это ещё не всё! Удалось получить штамм, разлагающий капролактам в концентрации 5 г/л и даже полимерный капрон (полиамид 6-аминокапроновой кислоты). К капролактаму в концентрации 15 г/л (а это тридцатикратное увеличение концентрации по сравнению с исходной) вырабатывалась частичная адаптация. Фактически капролактам для этих микробов уже не ксенобиотик, а пища.

Биосфера способна перерабатывать практически любое химическое вещество. Микробные популяции производят новые, не существовавшие ранее ферменты (а заодно и кодирующие их плазмидные гены).
Это вселяет надежду, что современный экологический кризис когда-нибудь будет преодолён. Ну а мы должны всеми мерами этому способствовать.

Автор – кандидат химических наук Антон МИНДУБАЕВ, Институт органической и физической химии им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН.

Источник: журнал «Наука и жизнь» № 4, 2018.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *