О вреде пластика знают даже дети. Загрязнение планеты этим видом мусора остаётся одной из главных экологических проблем. Эксперты не устают повторять, что пластмасса, в отличие от бумаги и даже металла, не включается в круговоротные природные циклы. Пластиковое ведро или бутылка, отслужив свой срок, будут валяться на свалке 500 лет и больше.
Ежегодно в воды Мирового океана сбрасывается от 8 до 11 миллионов тонн пластиковых отходов. Измельчаясь до практически невидимых фрагментов, они превращаются в микропластик, который в конце концов проникает и в наш организм. Так, учёные установили, что каждую неделю в тело человека попадает как минимум 5 грамм этого вещества (представьте себе банковскую карту, перемолотую в блендере).
Исследователи по всему миру ищут новые способы утилизации пластикового мусора. Какие у них есть идеи и предложения?
Роботы, барьеры, пузырьки
Для начала было бы неплохо наладить масштабный сбор плавающих по рекам и морям всего мира пластиковых бутылок, пакетов, одноразовой посуды и пр. Такие стартапы существуют и кое-каких результатов уже добились.
Как заявляет нидерландская компания Ocean Cleanup, её цель — собрать к 2040 году 90% всего пластика, попавшего в океан. Сначала она работала над созданием защитного барьера для очистки Большого тихоокеанского мусорного пятна (гигантского скопления отходов антропогенного происхождения в северной части Тихого океана), а осенью 2019-го представила робота для сбора мусора в реках. Специалисты подсчитали, что перехват пластика в реках экономически более эффективен, чем устранение последствий ниже по течению и тем более в открытом море, куда в конце концов попадает мусор.
Предложенное Ocean Cleanup устройство — это катамаран, к которому прикреплён длинный плавучий барьер. Он собирает речной мусор и направляет его к ленточному конвейеру, который распределяет отходы по контейнерам. Робот-катамаран работает на солнечной энергии и способен за сутки собирать 50 тонн отходов. Два таких устройства были опробованы в Индонезии и Малайзии — там они чистили местные реки, считающиеся одними из самых грязных в мире.
Плавучие барьеры для очистки водоёмов изготавливает и американская компания Worthington. Успешные проекты по ликвидации пластиковых загрязнений реализованы ею в США, Панаме, Турции и Доминиканской Республике. А вот стартап The Great Bubble Barrier пошёл другим путём. Как можно догадаться из его названия, он решил бороться с плавающим мусором с помощью пузырьков. Система работает так: на дне реки по диагонали прокладывают трубы, через которые под давлением подаётся воздух. Возникает поток пузырьков, который заставляет мусор подниматься на поверхность, а естественный поток воды оттесняет его в сторону системы сбора, установленной на берегу. Там отходы собирают и отправляют на перерабатывающее предприятие.
По словам разработчиков, пузырьковый барьер улавливает 86% речного мусора, не позволяя ему попасть в море, а затем и в Мировой океан. Преимущество технологии в том, что она не мешает проходу судов и не создаёт проблем водным обитателям.
Ненасытные бактерии
В начале 2022 года учёные сделали удивительное открытие: по всей Земле микробы стремительно эволюционируют, чтобы питаться пластиком. То, что они в принципе на это способны, секретом для науки не было. Шесть лет назад японцы, исследуя пробы почвы со свалок, обнаружили в них бактерию, которая пожирала полимеры, в том числе упаковочный ПЭТ-материал. Специально для его переработки у неё появились два фермента: так микробы не только приспособились к жизни в мусоре, но и получили новый источник пищи.
Теперь же оказалось, что явление приобрело массовый характер: пластика на планете скопилось так много, и он стал столь вездесущ, что это стимулирует микроорганизмы вырабатывать ферменты, которые его разлагают. Учёные с помощью компьютерного моделирования, анализирующего ДНК микробов, насчитали 30 тысяч вариантов генетических последовательностей ферментов, способных перерабатывать пластиковый мусор!
Та самая, открытая японцами почвенная бактерия Ideonella Sakaiensis, разлагая пластик, превращает его молекулы в воду и углекислый газ. Правда, фермент действует очень медленно: на утилизацию образца тонкой пластиковой плёнки ушло шесть недель. Однако учёные пытаются ускорить его работу. В 2018 году исследователи из Портсмутского университета, основываясь на открытии японских коллег, синтезировали фермент, который способен разлагать пластик на 20% эффективнее. Причём он может поедать не только ПЭТ, но и другой полимер — ПЭФ. Затем та же команда разработала ещё более совершенную версию белка, который был описан ими как суперфермент: он переваривает отходы в шесть раз быстрее.
Учёные считают, что, если подселить колонии бактерии Ideonella sakaiensis на свалки и мусорные полигоны, это значительно ускорит утилизацию полимеров. Кроме того, они предлагают использовать созданные ими синтетические версии ферментов. Одно из возможных технических решений — плавучий «реактор», собирающий пластик в океане и там же, на месте, его перерабатывающий.
Правда, у метода есть недостаток, на который необходимо обратить внимание. Как уже сказано, один из побочных продуктов поедания полимеров микробами — углекислый газ. А ведь именно это химическое соединение «назначено» главным виновником глобальных изменений климата: повышение концентрации CO2 в атмосфере ведёт к парниковому эффекту, росту средних температур и числа экстремальных погодных явлений. Вряд ли экологам понравится, что за очистку планеты от мусора придётся платить дополнительными выбросами углекислоты.
Грибы и насекомые
В помощники человечеству по избавлению от тотального пластикового загрязнения напрашиваются не только бактерии. Полакомиться полимерами, оказывается, любят некоторые виды грибов и даже насекомых.
В 2015 году исследователи из США и Китая выяснили, что личинки большого мучного хрущака при отсутствии иной пищи способны есть пенополистирол — разновидность пенопласта (а он тоже является пластмассой, только наполненной газом). Эта способность обнаружилась случайно: насекомых забыли покормить, и они взялись поедать собственные пластиковые кормушки. После этого учёные провели эксперимент. В течение двух недель они кормили мучных червей (личинок мучного хрущака) пенополистиролом, а контрольную группу — отрубями. Выживаемость в обеих группах оказалась одинаковой, никакого вреда пенопласт личинкам не принёс. Правда, их пищеварительная система, как и в случае с бактериями Ideonella sakaiensis, превращает полимеры в углекислый газ.
В 2017 году биолог Федерика Берточчини из Института биомедицины и биотехнологии Кантабрии (Испания), увлекающаяся разведением пчёл, очищала свои ульи от вредителей, в том числе — от личинок большой восковой моли (пчелиной огнёвки) Galleria mellonella. Исследовательница собрала их в полиэтиленовый пакет, но вскоре обнаружила, что те его прогрызли.
Тогда Федерика провела эксперимент с этими насекомыми в лаборатории. За 12 часов сотня личинок восковой моли уничтожила 92 миллиграмм полиэтилена. Как выяснилось, их пищеварительная система, приспособленная к переработке пчелиного воска, умеет справляться и с его молекулами тоже. При этом выделяется этиленгликоль — вещество без цвета и запаха. Биологи были впечатлены скоростью переваривания: бактериям, обладающим такой же способностью, на это требуются недели и даже месяцы. Теперь нужно понять, как использовать это свойство для создания технологий биоразложения пластика.
Что касается грибов, тут внимание учёных привлекает Aspergillus tubingensis — близкий родственник «чёрной плесени» Aspergillus niger. Его умение питаться полиуретаном протестировали на свалке в Пакистане и в лабораторных условиях. При взаимодействии с пластиком этот плесневый грибок выделяет фермент, разрушающий химические связи в полимерах. Если определить оптимальные условия для его роста, возможно, удастся наладить масштабное использование микроорганизма в очистных сооружениях или в почвах, где уже содержится пластиковый мусор.
Ещё один кандидат из царства грибов на роль избавителя человечества от пластикового загрязнения — Pestalotiopsis microspora. В 2011 году группа студентов Йельского университета под руководством профессора Скотта Стробела во время экспедиции в дождевые леса Эквадора обнаружила способность этого микроорганизма разлагать полимеры, причём в условиях отсутствия кислорода. Это значит, что колонии таких грибков можно помещать на дно мусорных свалок, где они будут питаться всё тем же полиуретаном, уменьшая его объём.
Ксеноботы
Два года назад американские учёные впервые создали живых существ, чьё поведение задано не природой, а компьютерной программой. Их вырастили из стволовых клеток гладкой шпорцевой лягушки и назвали ксеноботами.
Выглядящие как крохотные сгустки из розовой плоти, ксеноботы умеют перемещаться в водной среде, группироваться и толкать маленькие грузы. По сути, это биороботы: они созданы из живых клеток, но всё, что они делают, запрограммировано системой искусственного интеллекта. Его алгоритмы моделируют совместную работу различных комбинаций клеток, заставляя их много раз выполнять одни и те же действия и функции.
«Это живые машины. Они не являются ни традиционными роботами, ни каким-либо биологическим видом. Это новый класс артефактов — живой программируемый организм, — рассказал специалист по компьютерным технологиям и робототехнике Университета Вермонта, ведущий автор исследования Джошуа Бонгард. — Есть много вещей, которые возможны, если мы воспользуемся преимуществами их пластичности и способности решать проблемы».
Одно из применений живых машин — как раз сбор микропластика, которым загажены водоёмы планеты. Об этом говорят сами разработчики. Ксеноботы могут выживать в водной среде без дополнительных питательных веществ в течение нескольких недель. Если задать им нужную программу, они будут собирать частицы микропластика и доставлять их в определённое место для дальнейшей утилизации.
Конечно, пока это всего лишь идея, которая к тому же выглядит фантастической. Но так было со многими технологиями, впоследствии ставшими нам привычными.
