5 сентября 2023
Ферменты, расщепляющие полимер древесины, также могут справиться с полиэтиленом.
За пост начислено вознаграждение Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.
Загрязнение пластиком является одной из наиболее серьезных экологических проблем, с которой столкнулась наша планета в 21 веке. Ежегодно миллионы тонн пластиковых отходов поступают из различных источников, таких как сельское хозяйство, промышленность и потребительские товары. Большая часть этих пластиковых отходов попадает на свалки или в океаны, где она представляет угрозу для дикой природы, экосистемы, здоровья человека и изменения климата.
На данный момент существуют несколько способов утилизации пластиковых отходов: переработка, биоразложение, сжигание и пиролиз. Однако эти технологии имеют свои недостатки и проблемы. Переработка требует сортировки, очистки и утилизации пластиковых отходов, что в результате делает этот способ дорогостоящим и неэффективным. Биоразложение зависит от типа и состава пластиковых материалов, которые могут сильно различаться и влиять на их восприимчивость к микробному разложению. Сжигание и пиролиз включают в себя горение или нагревание пластиковых отходов, что приводит к выделению вредных выбросов в атмосферу.
Когда же появится другой более эффективный и экологичный способ борьбы с пластиковым загрязнением? В этой статье мы рассмотрим, как грибы могут помочь нам бороться с пластиковым загрязнением, разрушая один из самых распространенных и стойких видов пластика: полиэтилен.
Горы пластика и полиэтилена можно встретить на любой свалке в мире.
Полиэтилен — это синтетический полимер, который изготавливается из этилена, то есть углеводорода, получаемого из нефти или природного газа. Полиэтилен обладает множеством свойств, которые делают его полезным для различных применений, таких как гибкость, долговечность, прочность, стойкость к химическим веществам и низкая стоимость. Полиэтилен используется для изготовления пластиковых пакетов, бутылок, пищевой пленки, контейнеров для еды, игрушек, трубок и многих других изделий.
Однако эти же свойства также затрудняют разложение полиэтилена большинством микроорганизмов. Полиэтилен гидрофобен, то есть отталкивает воду и не растворяется в воде. Это затрудняет доступ микроорганизмов к полимерным цепям и соответственно разрушению их. Полиэтилен также имеет высокую молекулярную массу и высокую степень кристалличности, что означает, что он имеет длинные и плотно упакованные полимерные цепи, устойчивые к ферментативному воздействию. Полиэтилен может разлагаться естественным путем на свалках или в океанах в течение сотен или тысяч лет.
Исследователи из Университета Келании и Университета Перадении в Шри-Ланке обнаружили виды грибов, которые способны разрушать полиэтилен. Они опубликовали свои результаты в журнале PLOS ONE — 25 августа 2023 года.
Ученые обнаружили, что некоторые твердолиственные деревья, такие как железное дерево или эбеновое дерево, могут разлагаться в естественных условиях, несмотря на высокое содержание лигнина, полимера, придающего древесине прочность и долговечность. Лигнин также трудно разлагается большинством микроорганизмов из-за его сложной и неоднородной структуры. Исследователи задались вопросом, могут ли грибы, способные расщеплять лигнин, также разрушать полиэтилен.
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи собрали образцы грибов с гниющих деревьев лиственных пород в лесном заповеднике Шри-Ланки. Они выделили четыре вида грибов, относящихся к Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, Pestalotiopsis microspora и Trichoderma harzianum. Затем в течение 45 дней эти грибы находились в отдельных контейнерах с кусочками древесины лиственных пород и образцами полиэтилена. Они измерили потерю веса древесины и пластика до и после обработки грибком. Они также проанализировали изменения в морфологии поверхности и химическом составе пластиковых материалов с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR).
Колония грибков Aspergillus niger.
Результаты показали, что все четыре вида грибов способны разрушать как твердую древесину, так и полиэтилен. После обработки грибком древесина потеряла примерно от 1,2% до 35,8% своего веса, а пластик — примерно от 7,4% до 47,8% своего веса. SEM-изображения показали, что после обработки грибками пластиковые поверхности стали более шероховатыми и пористыми, что указывает на колонизацию и разложение грибков. Спектры FTIR показали, что после обработки грибами в пластиковых материалах произошли реакции окисления и гидролиза, что привело к образованию карбонильных (C=O), карбоксильных (COOH), гидроксильных (OH) и эфирных (C-O-C) групп.
Эти результаты позволяют предположить, что грибы, способные расщеплять лигнин, также могут расщеплять полиэтилен, используя аналогичные ферменты и механизмы.
Как грибы разрушают полиэтилен?
Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, Pestalotiopsis microspora и Trichoderma harzianum – это эукариотические организмы, принадлежащие к царству Грибы. Они состоят из микроскопических нитей, называемых гифами, которые образуют сеть, называемую мицелием. Грибы питаются органическими веществами, выделяя ферменты, расщепляющие сложные молекулы на более простые, которые могут поглощаться гифами.
Грибы могут расщеплять полиэтилен, используя ферменты, которые обычно участвуют в разложении лигнина. Лигнин – это полимер, который содержится в клеточных стенках растений, особенно в древесных тканях. Лигнин придает древесине прочность и долговечность, но также затрудняет ее разложение большинством микроорганизмов. Лигнин имеет сложную и неоднородную структуру, состоящую из различных ароматических единиц, соединенных разными типами связей.
Известно, что грибы разлагают лигнин, используя два типа ферментов: лакказы и пероксидазы. Лакказы — медьсодержащие ферменты, катализирующие окисление фенольных соединений путем восстановления молекулярного кислорода до воды. Пероксидазы — это железосодержащие ферменты, которые катализируют окисление фенольных соединений, используя перекись водорода в качестве акцептора электронов. Эти ферменты могут расщеплять различные связи в лигнине и генерировать свободные радикалы, которые могут еще больше разлагать лигнин.
Ученые выяснили, что эти 4 вида грибов могут использовать эти же ферменты для разложения полиэтилена путем окисления «углерод-углеродных связей» в полимерных цепях. Это приводит к образованию карбонильных групп (C=O), которые делают полиэтилен более гидрофильным (водолюбивым) и склонным к гидролизу (расщеплению воды). Гидролиз расщепляет полиэтилен на более мелкие молекулы, такие как спирты, альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты.
Ученые считают, что грибы помогут человечеству справиться с проблемой пластикового загрязнения и избавят нас от полиэтилена, одного из самых распространенных и стойких видов пластика. Полученные данные доказывают, что грибы могут использовать ферменты, которые обычно участвуют в разложении лигнина, для окисления и гидролиза полиэтилена до более простых молекул. В этом нам помогут четыре вида грибов, которые могут расщеплять полиэтилен за 45 дней.
Это открытие имеет важное значение для разработки методов биоремедиации, которые могут разлагать пластиковые отходы в контролируемых или естественных условиях. Грибы можно использовать в качестве биологических агентов, способных уменьшить количество и воздействие пластикового загрязнения на нашу планету. Однако существуют также некоторые проблемы и ограничения, которые необходимо решить, прежде чем грибы можно будет широко использовать для этой цели. Например, как мы можем оптимизировать условия и факторы, влияющие на грибковое разложение полиэтилена? Как мы можем обеспечить безопасность и устойчивость биоремедиации грибков? Как мы можем масштабировать и интегрировать грибную биоремедиацию с другими методами для уменьшения загрязнения пластиком? Будем надеяться, что ученые найдут ответы на все эти вопросы и смогут найти инвесторов для осуществления своей идеи.
