Коллектив российских учёных из нескольких организаций – Института биофизики СО РАН, Сибирского федерального университета, Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН провёл исследования биоразрушения ПГА в почве под действием микроорганизмов.

Масштабы выпуска и применения неразрушаемых в природной среде синтетических полимеров достигли 200 миллионов тонн в год, что стало глобальной экологической проблемой. В связи с этим всё больше внимания уделяется созданию так называемых биополимеров, которые в окружающей среде разрушаются микроорганизмами до безвредных продуктов. Это, например, полигидроксиалканоаты (ПГА) – полиэфиры гидроксиалкановых кислот, синтезируемые некоторыми микроорганизмами. Из них можно создавать быстроразлагаемую естественным путём упаковку, одноразовую посуду и бытовые изделия. В то же время очень мало известно о закономерностях и механизмах разрушения биополимеров в почвах под действием различных микроорганизмов. Учёные из нескольких российских институтов досконально изучили этот вопрос и узнали, каким образом микробы уничтожают органический полимер в естественной среде.

Большинство исследований, посвящённых разрушению биополимеров, по которым уже опубликованы научные статьи, проведено в лабораторных условиях. А вот как процессы разложения «материала будущего» протекают в естественной, природной среде, во многом оставалось загадкой.

Коллектив российских учёных из нескольких организаций – Института биофизики СО РАН, Сибирского федерального университета, Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН – восполнил этот пробел: провёл исследования биоразрушения ПГА в почве под действием микроорганизмов.

Сначала учёные синтезировали полигидроксиалканоаты при помощи микроорганизмов, в биотехнологическом процессе. Известно, что определённые бактерии способны в ходе своей жизнедеятельности синтезировать и накапливать эти полимеры в клетках.

Затем культуру, содержащую наполненные полимером бактериальные клетки, центрифугировали, полимер экстрагировали из биомассы органическими растворителями, ПГА осаждали и отфильтровывали.

Исследователи выделили микроорганизмы, способные разрушать ПГA, а также изучили способность к разложению полимеров в зависимости от структуры их молекул и температуры окружающей среды.

В ходе эксперимента, длившегося в течение двух полевых сезонов с промежутком в три года, полимерные диски помещались в почву под корни различных деревьев примерно на три летних месяца. В это время учёные изучали динамику изменения массы полимерных образцов и выяснили, что влияет на процесс разрушения ПГА. Один из таких факторов – химический состав полимера: быстрее разлагались полиэфиры с гибридными (химики называют их сополимерными) молекулами, большему разрушению подвергалась аморфная фаза полимеров по сравнению с кристаллической. Также степень и скорость распада органических полимеров оказались зависимыми от места размещения образцов в почве: в более влажной и более населённой микроорганизмами почве, под лиственницей, разрушение обоих типов ПГА происходило активнее, чем под берёзой.

В целом численность микробов на поверхности полимерных дисков была на несколько порядков выше по сравнению с титром контрольной почвы. Это указывает на то, что

на самом полимере поселились колонии микроорганизмов (бактерий и грибов), питающиеся именно полимерным субстратом, а не почвенными веществами.

Кроме того, учёные определили качественный и количественный составы микроорганизмов – деструкторов биопластиков и зафиксировали изменение видового состава колоний на полимере с течением времени.

Эти данные позволяют глубже понять, какие факторы влияют на биоразрушение ПГА в почвах, что поможет расширить использование данных полимеров в производстве саморазрушающихся бытовых изделий.

В перспективе результаты исследования о микробных полимерах могут найти и другое, совершенно новое применение. В полимерную основу можно включать биологически активные вещества, например гербициды или инсектициды. Они будут выделяться в окружающую среду не разово, в момент внесения в почву, а дозированно, по мере разрушения полимерной структуры. Это позволит поддерживать определённый уровень нужного вещества в природе на протяжении длительного времени.

На базе Института биофизики СО РАН в Красноярске под руководством заместителя директора этого института, заведующей лабораторией хемоавтотрофного биосинтеза, доктора биологических наук, профессора Татьяны Воловой уже создано первое в России опытное производство биопластиков. За рубежом существуют пилотные малотоннажные предприятия по выпуску подобных материалов, которые, вероятно, всё активнее будут заменять неэкологичные синтетические полимеры.

Работа выполнена при поддержке проекта по постановлению правительства России для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих учёных в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (договор № 11.G34.31.0013), и Программы интеграционных исследований президиума СО РАН (проект № 96).

Источник информации:

А. Н. Бояндин, С. В. Прудникова, М. Л. Филипенко, Е. А. Храпов, А. Д. Васильев, Т. Г. Волова Биодеградация полигидроксиалканоатов почвенными микробиоценозами различной структуры и выявление микроорганизмов-деструкторов. – Прикладная биохимия и микробиология. – 2012. – Т. 48. – № 1. – с. 35–44.