Ферментная переработка пластика: перспективы для полиуретанов и нейлона

В мире ежегодно производят более 400 млн метрических тонн пластика. Значительная его часть не проходит переработку, а накопление пластиковых отходов увеличивает нагрузку на окружающую среду. Один из подходов к решению этой проблемы — расщепление полимеров с помощью ферментов с последующим использованием полученных компонентов для производства новых материалов.

Две публикации в журналах Nature Chemical Biology и Nature, подготовленные при участии биохимика Уве Т. Борншойера из Университета Грайфсвальда, посвящены возможностям и ограничениям такого подхода. В первой авторы рассматривают ферменты для переработки полиуретанов и полиамидов, во второй — требования к доказательствам биологического разложения пластика.

ПЭТ: расщепить полимер и вернуть компоненты в производство

Ферменты способны избирательно расщеплять химические связи в полимерах. Этот подход уже сравнительно хорошо разработан для полиэтилентерефталата (ПЭТ), из которого делают бутылки для напитков и текстиль.

Некоторые ферменты расщепляют ПЭТ на исходные компоненты в мягких условиях. Эти вещества можно вновь использовать для производства пластика. Цель такой переработки — возвращать материал в производственный цикл, а не направлять его в отходы.

Полиуретаны и нейлон: поиск подходящих ферментов

С другими полимерами работать сложнее. Несколько лет назад команда под руководством Борншойера выявила первые биокатализаторы, способные расщеплять особенно устойчивые связи в полиуретанах (ПУ). Эти материалы используют, в частности, в матрасах, теплоизоляции и спортивной обуви.

В публикации в Nature Chemical Biology исследователи рассмотрели семейства ферментов, перспективных для расщепления ПУ и полиамидов, включая нейлон. Авторы также обсуждают поиск новых биокатализаторов и изменение их свойств методами белковой инженерии.

Одно из направлений — совершенствование уретаназ, ферментов, способных избирательно расщеплять уретановые связи. Борншойер считает, что развитие этого направления может привести к созданию надёжных и универсальных ферментов для промышленной переработки полиуретанов. Пока это перспектива, а не подтверждение готовности технологии к внедрению.

Почему признаки разрушения не всегда доказывают разложение

В статье в Nature исследователи из Грайфсвальда и их зарубежные коллеги критически разбирают работы о способности бактерий и ферментов разрушать пластики, в том числе полиэтилен (ПЭ) и поливинилхлорид (ПВХ). Эти полимеры значительно труднее поддаются биологическому разложению, чем ПЭТ, ПУ или нейлон.

Авторы указывают на недостаточную характеристику исследуемых материалов, недочёты в постановке экспериментов и ошибки в интерпретации анализов. Сигнал, который выглядит как признак разложения, не обязательно связан с расщеплением самого полимера.

«Биологическая деградация пластика — удивительно сложная область исследований. Довольно легко получить сигнал, указывающий на успешное разложение пластика. Однако трудно доказать, что этот сигнал действительно является результатом деградации пластикового полимера», — объясняет ведущий автор статьи Густав Ваайе-Колстад из Норвежского университета наук о жизни (NMBU).

Что нужно для достоверной оценки переработки

Исследователи сформулировали рекомендации по проведению экспериментов: подробно характеризовать исходный пластик, использовать подходящие контрольные опыты и проводить количественный анализ результатов. Это должно помочь надёжно выявлять микроорганизмы и ферменты, которые действительно расщепляют трудно перерабатываемые полимеры.

В долгосрочной перспективе такие исследования могут стать основой биологических технологий переработки и извлечения ценного сырья из пластиковых отходов. Но для оценки их потенциала необходимо прежде всего достоверно установить, что именно разлагается и насколько эффективно идёт процесс.