Жирная проблема и изящное решение
Объемы мирового производства пластика стремительно растут, а вместе с ними — и количество отходов. Обычные полиэтилен и полипропилен разлагаются столетиями, загрязняя почву и океан. Решением могут стать «зеленые» биопластики — полимеры, которые полностью разлагаются в природе. Красноярские ученые синтезируют такие материалы с помощью бактерий, которых «кормят» отходами рыбной промышленности.
Ежегодно в мире добывается до 200 миллионов тонн рыбы, но за этим стоят и миллионы тонн отходов: плавники, внутренности, головы. Значительная часть этих остатков — жир, который сложно утилизировать. предложили превратить эту проблему в ресурс. По задумке красноярских исследователей жир должен стать не отходом, а ценным сырьем для производства биоразлагаемого пластика.
Исследователи сосредоточились на отходах переработки скумбрии и копченой кильки — рыб, которых добывают в огромных объемах. Их остатки почти не используются, в том числе из-за специфического состава и токсичных примесей. Например, в шпротных отходах из-за копчения содержится канцероген бензопирен. Это делает их непригодными для кормов, но не мешает использовать в биотехнологиях.
Именно эти «ненужные» отходы могут решить главную проблему «зеленых» технологий — высокую стоимость биопластиков, например, полигидроксиалканоатов (ПГА).
«Ключевая проблема для широкого применения ПГА — их цена. До половины себестоимости приходится на питательную среду, на которой растут микроорганизмы-производители. Если заменить дорогой субстрат на бесплатные отходы, это кардинально изменит экономику биопластика», — объясняет Татьяна Волова, заведующая лабораторией хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН.
Бактерии-работники
Однако «скормить» рыбный жир бактериям не так-то просто. Он нерастворим в воде, и большинство микроорганизмов не могут его усвоить. Многие известные штаммы в такой среде растут медленно и производят мало полимера. Ученые искали уникальный микроорганизм, который мог бы эффективно работать в агрессивной среде рыбных отходов.
Им удалось найти его в почве в окрестностях Красноярска. После масштабной селекции был отобран наиболее активный штамм бактерии Cupriavidus necator. Его главное преимущество — способность самостоятельно расщеплять жир на простые компоненты, которые затем идут на синтез биопластика прямо внутри клетки.
Результаты оказались впечатляющими: этот штамм утилизирует более 80 % рыбьего жира, превращая до 70 % его массы в биополимер. Это один из лучших показателей среди всех известных бактерий, синтезирующих полимеры на различных субстратах, в основном — на сахарах.
Но ученые пошли дальше. Добавляя на стадии производства в питательную среду специальные компоненты, они научили бактерии синтезировать не только простой биополимер, но и его более сложные и прочные сополимеры. Такие материалы не деформируются при нагревании и легче поддаются формовке, что делает их идеальными для массового производства.
От лаборатории к упаковке
На основе полученных полимеров красноярские ученые уже создали образцы однослойных пленок для упаковки. Они показали хорошую гибкость и полную совместимость с пищевыми продуктами: пленки не выделяют посторонних веществ и не меняют вкус еды. А главное — они полностью биоразлагаемы.
«В развитых странах упаковочная отрасль по капиталовложениям опережает машиностроение, при этом срок службы упаковки — несколько суток. Использованная тара пополняет свалки, превращаясь в глобальную экологическую проблему, — подчеркивает Татьяна Волова. — Упаковка из микробного полимера — шаг к будущему, где пища больше не запакована в вечный пластик».
Разработка и внедрение таких технологий требуют мощной научной базы. Создание современного научно-производственного кампуса в Красноярске может стать ключевым шагом для объединения ученых и промышленных партнеров.
Это позволит превратить перспективные лабораторные разработки в реальные промышленные технологии, способные решить одну из самых острых экологических проблем современности.
Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий, фото предоставлено КНЦ СО РАН.
