Японские исследователи разработали способ ускорить биологическое разложение компостируемого пластика в морской воде, в том числе на большой глубине. Встраивание специальных ферментов непосредственно в материал позволило добиться почти полного разложения некоторых полимеров за пять месяцев на глубине 757 метров. Технология может помочь сократить накопление пластиковых отходов в океане, где обычные компостируемые материалы способны сохраняться длительное время.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Ученые проверили разработку в прибрежной воде и на морском дне на глубинах от 757 до 5503 метров. В экспериментах использовались четыре вида компостируемых полиэфиров, которые применяются в качестве альтернативы традиционным пластикам.

Как ферменты ускоряют разложение пластика

Многие виды компостируемого пластика рассчитаны прежде всего на разложение в условиях промышленного компостирования, где поддерживаются повышенная температура, влажность и высокая активность микроорганизмов. В морской среде процесс может идти значительно медленнее, особенно на большой глубине из-за низкой температуры, высокого давления и особенностей местных микробных сообществ.

Чтобы решить эту проблему, исследователи встроили в полимерную структуру два фермента - липазу B Candida antarctica и кутиназу HiC. Они способны расщеплять химические связи в различных полиэфирах. Ферменты добавляли непосредственно в материал во время термической обработки, сохраняя их каталитическую активность.

В экспериментах изучались полибутиленсукцинат (PBS), сополимер полибутиленсукцината и адипата (PBSA), поликапролактон (PCL) и сополимер полибутиленадипата и терефталата (PBAT). Ученые изготовили из них тонкие пленки и микрогранулы размером от 20 до 300 микрометров, чтобы проверить действие технологии на материалах разной формы.

Почти полное разложение за пять месяцев

На глубине 757 метров пленки из PBS, PBSA и PCL, содержащие 3% кутиназы HiC по массе, потеряли за пять месяцев почти всю исходную массу. Для сравнения, образцы без ферментов за тот же период практически не разрушались.

В прибрежной воде результаты удалось получить при значительно меньшей концентрации фермента. Пленки из PBS, PBSA и PCL с добавлением всего 0,1% HiC за месяц потеряли соответственно 27,4%, 100% и 85,5% массы. При этом PBAT оказался более устойчивым к расщеплению: на глубине 757 метров его потеря массы за пять месяцев составила 12,1%.

Исследователи также обнаружили ускоренное разрушение материалов на глубине 5503 метра. Например, пленки PBSA с липазой потеряли за 18 месяцев 30,5% массы, тогда как у контрольных образцов без фермента этот показатель составил 1,6%. Таким образом, эффективность технологии зависит от состава полимера, используемого фермента и условий окружающей среды.

Проверка микрогранул показала, что ферменты сохраняют активность и в материалах небольшого размера. На их поверхности появлялись поры и трещины, указывающие на процесс расщепления полимера.

Сохранение прочности и ограничения технологии

Одной из задач исследования было ускорить разложение пластика, не лишая его необходимых эксплуатационных свойств. При добавлении 0,1% фермента прочность пленок при растяжении практически не менялась. Более высокая концентрация, в частности 3%, могла снижать прочность и удлинение материала до разрыва, хотя показатели оставались в пределах, которые авторы считают практически применимыми.

Химический анализ показал, что при расщеплении полимеров образуются растворимые продукты с небольшой молекулярной массой. Испытания с морской водой также подтвердили, что микроорганизмы способны перерабатывать часть этих продуктов: за месяц показатель биологического разложения пленки PBS с 0,1% HiC достиг 50,9% по результатам измерения биохимического потребления кислорода, использованного для оценки минерализации материала.

При этом ученые подчеркивают, что ускоренное разложение не означает автоматического решения проблемы пластикового загрязнения. Для широкого применения технологии предстоит учитывать стоимость ферментов и самих компостируемых полимеров, скорость разложения в разных условиях, воздействие на окружающую среду и дальнейшую судьбу продуктов распада.

Авторы считают, что метод можно адаптировать для других изделий, включая рыболовные сети и лески. Однако для практического внедрения необходимо дополнительно оценить его эффективность и экологические последствия в различных морских экосистемах.