Почвенные микроорганизмы едят пластик

1 августа 2018



Тонкие мульчирующие полиэтиленовые пленки используются в сельском хозяйстве во многих странах и вызывают значительное загрязнение почвы. Недавно ученые из Цюриха нашли альтернативу этому методу мульчирования почв: пленки из биоразлагаемого полимера PBAT.

Через несколько недель нахождения пленок PBAT в почвах, многочисленные почвенные микроорганизмы колонизировали их поверхность, и началось биоразложение полимера. (Электронная микроскопия).

Наш мир тонет в потоке пластика. Ежегодно восемь миллионов тонн пластика оказывается в океанах. Сельскохозяйственным почвам также грозит загрязнение полимерами. Фермеры во всем мире применяют огромное количество полиэтиленовых (ПЭ) мульчирующих пленок для борьбы с сорняками, для повышения температуры почвы и сохранения ее влажности, что значительно увеличивает урожай. После сбора урожая фермерам часто невозможно собрать все использованные пленки, особенно когда они имеют размеры всего лишь в несколько микрометров. Обрывки пленки пробираются внутрь почвы и накапливаются в ней с течением времени, потому что ПЭ не подвергается биологическому распаду. Остатки пленки в почвах уменьшают их плодородие, препятствуют водному транспорту и тормозят рост сельскохозяйственных культур.

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Швейцарского федерального института водных наук и технологий (Eawag) недавно показали в междисциплинарном исследовании, что есть основания надеяться, что почвенные микробы способны минерализовать пленки из альтернативных полимеров. Используя специальное оборудование для исследования и химического анализа почвы, они продемонстрировали, что почвенные микроорганизмы полностью разлагают пленки, состоящие из нового полимера полибутиленадипат терефталата (PBAT). Их работа недавно опубликована в журнале «Science Advances». В исследовательском проекте, координируемом Майклом Сандером, Кристофер Макнейл и Ханс-Петер Колер и докторант ETH Zurich Майкл Зумштейн, продемонстрировали, что почвенные бактерии могут использовать данный полимер, как для производства энергии, так и для создания микробной биомассы. «Данное исследование впервые показало, что почвенные микроорганизмы минерализуют пленки PBAT в почвах и переносят углерод из полимера в свою биомассу», — говорит Майкл Сандер (Michael Sander), старший научный сотрудник группы экологической химии в научном отделе экологических систем ETH Zurich.Как и ПЭ, PBAT представляет собой полимер на основе нефти, который используется для производства различных продуктов, в том числе мульчи. Поскольку PBAT уже классифицировался как биодеградируемый в компосте, исследователи ETH и Eawag стремились оценить, подвергается ли PBAT биоразложению в сельскохозяйственных почвах. Для сравнения, ПЭ не биодеградирует ни в компосте, ни в почве.

В своих экспериментах исследователи использовали материал PBAT, специально синтезированный из мономеров и поэтому содержащий определенное количество стабильного изотопа углерода-13. Эта изотопная этикетка позволяла ученым отслеживать углерод, полученный из полимера, в процессе его биодеградации в почве. После биоразложения PBAT, почвенные микроорганизмы высвобождали углерод-13 из полимера. Используя изотоп-чувствительное аналитическое оборудование, исследователи обнаружили, что углерод-13 из PBAT не только перешел в двуокись углерода (CO2) в результате микробного дыхания, но и был включен в состав биомассы микроорганизмов, колонизирующих полимерную поверхность.

«Самое интересное в нашем исследовании то, что мы использовали стабильные изотопы для точного отслеживания углерода, полученного из PBAT, по разным биодеградирующим путям этого полимера в почве», — говорит Майкл Зумштейн. Благодаря этому исследователям удалось первыми и с высокой научной точностью продемонстрировать, что этот полимерный материал эффективно биоразлагается в почвах. Это важно, потому что не все материалы, которые в прошлом были обозначены как «биоразлагаемые», действительно соответствовали необходимым критериям. «По определению биодеградация требует, чтобы микробы метаболически использовали весь углерод полимера для производства энергии и образования биомассы, как мы теперь и продемонстрировали для PBAT», — говорит Ханс-Петер Колер, экологический микробиолог в Eawag. В определении подчеркивается, что биоразлагаемые пластмассы принципиально отличаются от тех пластиков, которые не минерализуются, а просто распадаются на крошечные пластиковые частицы, например, после воздействия на пластик солнечного света. «Многие пластмассы просто крошатся на мельчайшие фрагменты невидимые для невооруженного глаза, но которые сохраняются в окружающей среде в качестве микропластиков», — говорит Колер. В ходе своего эксперимента исследователи наполняли стеклянные бутылки объемом 0,1 литра 60 граммами почвы каждую, а затем помещали в эту почву пленки из PBAT, надежно их закрепляя. После шести недель инкубации ученые оценивали степень колонизации поверхности PBAT почвенными микроорганизмами. Затем они определяли количество СО2, которое было сформировано в инкубационных бутылках, и количество изотопа углерода-13, содержащегося в этом объеме CO2. Наконец, для наглядной демонстрации включение углерода из полимера в биомассу микроорганизмов, они сотрудничали с исследователями из Венского университета.

На этом этапе работы исследователи пока не могут с уверенностью сказать, в какой период PBAT разлагаются в почвах в естественных условиях, так как они проводили свои эксперименты в лаборатории, а не в поле. Для оценки биодеградации пленок PBAT в реальных условиях окружающей среды необходимы долгосрочные исследования, которые будут проводиться на различных видах почвы и в различных условиях окружающей среды. «К сожалению, пока рано праздновать победу: еще очень далеко до нахождения решения глобальной экологической проблемы загрязнения окружающей среды пластиком, но мы сделали очень важный первый шаг в направлении биоразлагаемости полимеров в почве», — говорит Сандер. В то же время он предостерегает от нереалистичных ожиданий беспроблемного биодеградирования пластмасс в окружающей среде: «Как мы показали, есть только надежда, что можно создавать биодеградируемые в почве полимеры. Однако результаты, полученные от тестирования материалов в почвах, не могут быть напрямую перенесены в другие природные среды. Например, биодеградация полимеров в морской воде может проходить значительно медленнее из-за других условий и других типов микробных сообществ».

Исследователи ожидают, что их открытие будет замечено в индустриальных кругах. «Мы разработали методы анализа, которые помогут промышленным предприятиям проводить проверку уровня влияний их пластмассовых изделий на окружающую среду», — говорит соавтор исследования Кристофер Макнейл. «Благодаря нашей разработке они могут переключиться на использование биоразлагаемых материалов при производстве тонких мульчирующих пленок вместо небиоразлагаемого полиэтилена», — добавляет он. Но пока до этого далеко, только несколько химических компаний начали выпускать и продавать более экологически чистые, но, увы, и более дорогие пленки PBAT. Среди них — немецкая компания BASF, которая одной их первых поддержала это исследование. "По сравнению с общим объемом пластика, который вводится в обращение, биоразлагаемые мульчирующие пленки играют далеко не первостепенную роль. Однако эти продукты являются важной отправной точкой для снижения нагрузки на сельскохозяйственные почвы, и в долгосрочной перспективе они способны защитить их от накопления пластика, говорит Сандер. Дополнительным вариантом уменьшения объема пластика, загрязняющего сельскохозяйственные почвы, является использование более толстых мульчирующих пленок, которые, кстати, часто используются в швейцарском сельском хозяйстве. Эти пленки могут быть собраны после использования, а затем либо повторно использованы, либо удалены путем сжигания.