Проблема "пластикового загрязнения" с каждым годом становится всё острее. Она уже не ограничивается огромными горами использованных и брошенных бутылок и упаковочных материалов, которые естественным путем будут разлагаться многие десятки лет. Всё гораздо серьезнее. Микрочастицы пластика обнаруживаются в почве, в морской и речной рыбе, в мясе сельскохозяйственных животных, а также в крови человека и материнском молоке. Попытки как-то ограничить производство новых изделий из этого материала и наладить массовую переработку его отходов, пока не приносят заметных результатов.
Ученые различных стран бьются над решением этой проблемы, и периодически в печати появляются оптимистические статьи о серьезных "прорывах" в переработке полиэтилентерефталата (ПЭТ), который является одним из наиболее значимых пластиков по объему выпуска. Сообщается о новых ферментах, успешно расщепляющих пластик на более простые составные части. Однако, далее, как правило, следует молчание.
Дело тут вот в чем. Действительно, многие ферменты способны эффективно разлагать пластик. Проблема заключается в том, что ферменты, показывающие прекрасные результаты в лабораторных условиях, зачастую неспособны повторить их при масштабировании процесса.
Долю полиэтилентерефталата в общемировом производстве пластика составляет около 20 процентов. Он является одним из наиболее значимых пластиков по объему выпуска. Поэтому именно его утилизация и переработка имеют столь важное значение. Так компания Carbios рассчитывает в 2025 году ввести в эксплуатацию комбинат на северо-востоке Франции, который сможет перерабатывать до 50 000 тонн полиэтилентерефталата в год. Естественно, что компания заинтересована в выборе наиболее эффективных ферментов для своей биореактора и уже столкнулась с тем, что зачастую результаты лабораторных экспериментов не удается перенести в более крупный промышленные установки.
«Некоторые ферменты великолепно показывают себя в лабораторных опытах в течение нескольких часов, но затем они очень быстро теряют свою активность, и субстрат не полностью расщепляется. Это проблема не дает о себе знать в лабораторных условиях, но она проявляется при использовании большого биореактора»,
— говорит эксперт из HZB Герт Вебер.
Его новое исследование, выполненное совместно с Уве Борншойером из Университета Грайфсвальда и Аленом Марти, главным научным директором Carbios, демонстрирует, как повышение планки требований к лабораторным экспериментам способно помочь быстрее выявить перспективные подходы.
«Чтобы обеспечить возможность масштабирования в дальнейшем, многие параметры должны находиться в узком диапазоне даже в лабораторных экспериментах, исходный материал должен быть точно определен, а протоколы испытаний должны быть более стандартизированы, чтобы лучше оценить эффективность ферментов и их применение в лабораторных исследованиях и промышленных масштабах»,
— объясняет Борншойер.
Поэтому исследователи разработали стандартизированный протокол гидролиза ПЭТ, который определяет условия реакции, необходимые для гидролиза в более широком масштабе. Ученые продемонстрировали использование этого нового подхода при сравнительном анализе эффективности четырех недавно открытых ферментов.
Проводя эксперименты в соответствии с этим протоколом, они установили, что два из этих ферментов, FAST-PETase и HotPETase, являются наименее подходящими для промышленного применения, главным образом из-за их относительно низкой скорости деполимеризации. PES-H1L92F/Q94Y показал себя лучше. Вне конкуренции оказался четвертый претендент - LCC-ICCG - значительно опередивший другие ферменты. Он способен за сутки трансформировать до 98 процентов полиэтилентерефталата в мономерные продукты - терефталевую кислоту (ТРА) и этиленгликоль (ЭГ).
«Кроме того, нам удалось в три раза снизить необходимое количество фермента, и уменьшить температуру проведения реакции с 72 до 68°C, что делает использование этого фермента более экономичным»,
— говорит Борншойер.
«Мы должны подумать о промышленном применении уже в ходе наших лабораторных исследований»,
— считает Герт Вебер.
