Масштабы выпуска и применения неразрушаемых в природной среде синтетических полимеров достигли 200 миллионов тонн в год, что стало глобальной экологической проблемой. В связи с этим всё больше внимания уделяется созданию так называемых биополимеров, которые в окружающей среде разрушаются микроорганизмами до безвредных продуктов. Это, например, полигидроксиалканоаты (ПГА) – полиэфиры гидроксиалкановых кислот, синтезируемые некоторыми микроорганизмами. Из них можно создавать быстроразлагаемую естественным путём упаковку, одноразовую посуду и бытовые изделия. В то же время очень мало известно о закономерностях и механизмах разрушения биополимеров в почвах под действием различных микроорганизмов. Учёные из нескольких российских институтов досконально изучили этот вопрос и узнали, каким образом микробы уничтожают органический полимер в естественной среде.

Большинство исследований, посвящённых разрушению биополимеров, по которым уже опубликованы научные статьи, проведено в лабораторных условиях. А вот как процессы разложения «материала будущего» протекают в естественной, природной среде, во многом оставалось загадкой.

Коллектив российских учёных из нескольких организаций – Института биофизики СО РАН, Сибирского федерального университета, Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН – восполнил этот пробел: провёл исследования биоразрушения ПГА в почве под действием микроорганизмов.

Сначала учёные синтезировали полигидроксиалканоаты при помощи микроорганизмов, в биотехнологическом процессе. Известно, что определённые бактерии способны в ходе своей жизнедеятельности синтезировать и накапливать эти полимеры в клетках.

Затем культуру, содержащую наполненные полимером бактериальные клетки, центрифугировали, полимер экстрагировали из биомассы органическими растворителями, ПГА осаждали и отфильтровывали.

Исследователи выделили микроорганизмы, способные разрушать ПГA, а также изучили способность к разложению полимеров в зависимости от структуры их молекул и температуры окружающей среды.

В ходе эксперимента, длившегося в течение двух полевых сезонов с промежутком в три года, полимерные диски помещались в почву под корни различных деревьев примерно на три летних месяца. В это время учёные изучали динамику изменения массы полимерных образцов и выяснили, что влияет на процесс разрушения ПГА. Один из таких факторов – химический состав полимера: быстрее разлагались полиэфиры с гибридными (химики называют их сополимерными) молекулами, большему разрушению подвергалась аморфная фаза полимеров по сравнению с кристаллической. Также степень и скорость распада органических полимеров оказались зависимыми от места размещения образцов в почве: в более влажной и более населённой микроорганизмами почве, под лиственницей, разрушение обоих типов ПГА происходило активнее, чем под берёзой.

В целом численность микробов на поверхности полимерных дисков была на несколько порядков выше по сравнению с титром контрольной почвы. Это указывает на то, что на самом полимере поселились колонии микроорганизмов (бактерий и грибов), питающиеся именно полимерным субстратом, а не почвенными веществами.

Кроме того, учёные определили качественный и количественный составы микроорганизмов – деструкторов биопластиков и зафиксировали изменение видового состава колоний на полимере с течением времени.

Эти данные позволяют глубже понять, какие факторы влияют на биоразрушение ПГА в почвах, что поможет расширить использование данных полимеров в производстве саморазрушающихся бытовых изделий.

В перспективе результаты исследования о микробных полимерах могут найти и другое, совершенно новое применение. В полимерную основу можно включать биологически активные вещества, например гербициды или инсектициды. Они будут выделяться в окружающую среду не разово, в момент внесения в почву, а дозированно, по мере разрушения полимерной структуры. Это позволит поддерживать определённый уровень нужного вещества в природе на протяжении длительного времени.

На базе Института биофизики СО РАН в Красноярске под руководством заместителя директора этого института, заведующей лабораторией хемоавтотрофного биосинтеза, доктора биологических наук, профессора Татьяны Воловой уже создано первое в России опытное производство биопластиков. За рубежом существуют пилотные малотоннажные предприятия по выпуску подобных материалов, которые, вероятно, всё активнее будут заменять неэкологичные синтетические полимеры.