На сегодняшний день на территории Европы скопилось 25,8 миллиона тонн пластиковых отходов, из которых примерно 15 процентов составляют полиэфиры, главным образом полиэтилентерефталат — из него изготавливают текстиль, упаковку, бутылки для воды и газированных напитков. К часто применяемым полиэфирам относится также полибутиленадипаттерефталат, представляющий собой сополимер, синтезированный из 1,4-бутандиола, адипиновой и терефталевой кислот. Еще один важный представитель полиэфиров — это полиэтиленфураноат, мономером которого является 2,5-фурандикарбоновая кислота, получаемая из возобновляемых источников.

Перспективным методом переработки пластика сейчас является ферментативный гидролиз при помощи бактерий. Например, в 2016 году японские микробиологи, исследуя почву вблизи завода по производству полиэтилентерефталата, выделили штамм бактерий Ideonella sakaiensis 201-F6, способный гидролизовать ПЭТ. Эти бактерии смогли переработать тонкую (0,2 миллиметра) полимерную пленку за шесть недель. А в прошлом году французским ученым из Университета Тулузы удалось усовершенствовать фермент кутиназу LCC, полученную из листового компоста листьев, которая работала эффективнее фермента из Ideonella sakaiensis: она смогла расщепить до 90 процентов ПЭТ на мономеры за 10 часов. Однако все еще существует потребность в более эффективных ферментах, позволяющих масштабировать процесс переработки.

Теперь исследователи во главе с Феличе Куартинелло (Felice Quartinello) из Венского университета природных ресурсов и естественных наук решили использовать ферменты, производимые микроорганизмами рубца жвачных животных, для разложения полиэфиров. Этот процесс в перспективе можно масштабировать, учитывая широкое распространение скотобоен.

Рубец — самый большой отдел желудка крупного рогатого скота. Микробиом рубца насчитывает около 1010 микроорганизмов на 1 миллилитр рубцовой жидкости и представлен несколькими сотнями видов обитателей, большинство из которых производят ферменты для переваривания клетчатки, крахмала и сахара. Рацион жвачных животных включает растительные полиэфиры и, следовательно, некоторые населяющие животных микроорганизмы способны синтезировать ферменты (эстеразы, липазы и кутиназы), расщепляющие сложноэфирные связи.

Исследователи посетили одну из австрийских скотобоен, чтобы взять рубцовую жидкость коровы. Затем они инкубировали эту жидкость с тремя полиэфирами (ПЭТ, ПЭФ, ПБАТ) в виде порошка и пленки, чтобы понять, насколько эффективно полимеры будут гидролизоваться в разных формах. Ученые инкубировали 5 грамм порошка (каждого полимера) с 2 миллилитрами рубцовой жидкости в калий-фосфатном буфере. Инкубацию проводили в течение 72 часов в орбитальном шейкере на скорости 150 оборотов в минуту при 40 градусах по Цельсию (как в рубце). Затем то же самое исследователи проделали с полимерными пленками (ПЭТ, ПБАТ и ПЭФ) размерами полтора на один сантиметр.

Далее при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии ученые проанализировали продукты ферментативного гидролиза всех трех полимеров. Продуктами расщепления ПЭТ были: терефталевая кислота, моно-(2-гидроксиэтил)терефталат и бис-(2-гидроксиэтил)терефталат; ПБАТ гидролизовался с образованием моногидроксибутилтерефталата и бис-(4-гидроксибутил)терефталата, а продуктом распада ПЭФ была 2,5-фурандикарбоновая кислота.

Через 72 часа из ПЭТ и ПБАТ образовалось 0,6 и 0,75 миллимоль продуктов гидролиза, а из ПЭФ было получено 4,8 миллимоль продуктов. Ферментативный гидролиз полимеров в виде порошков прошел лучше по сравнению с гидролизом пленок. Однако, как в случае пленок, так и в случае порошков, ПЭФ расщеплялся эффективнее других полимеров. Это связано с гибкостью полимерной цепи, которая улучшает сорбцию ферментов. Кроме того, длина цепи и межмолекулярные связи могут влиять на гидролиз.

Чтобы идентифицировать микробное сообщество рубца, исследователи выделили генетический материал из одного миллилитра рубцовой жидкости для секвенирования. Среди бактерий в рубце преобладали бактерии рода Pseudomonas, которые могли играть важную роль в гидролизе полиэфиров. Известно, что эти бактерии способны синтезировать эстеразы, липазы и кутиназы, гидролизующие сложноэфирные связи. Что касается грибов (Aspergillus, Penicillium, Candida), живущих в рубце, они тоже способны производить различные гидролазы (липаза и эстераза) и, следовательно, участвовать в гидролизе полимеров. По мнению исследователей, микробное сообщество, скорее всего, эффективно гидролизует полиэфиры из-за комбинации ферментов, синтезируемых различными обитателями рубца.

Переработка пластика при помощи микроорганизмов — многообещающий метод. Недавно биохимики из Шотландии с помощью сконструированного штамма кишечной палочки Escherichia coli превратили терефталевую кислоту, полученную из ПЭТ-бутылок, в ванилин.

Фото: Giphy.com