8 мин
31 июля 2019 г.

БИОФИЗИК ЕКАТЕРИНА ШИШАЦКАЯ: «МЫ ДЕЛАЕМ ПЛАСТИК, КОТОРЫЙ РАЗЛАГАЕТСЯ»

Сибирские ученые обсуждают варианты решения проблемы пластикового загрязнения
Автор: Егор Задереев

Недавно все СМИ облетела сенсация: «Британские ученые установили, что биоразлагаемые пакеты на самом деле не разлагаются!» Судя по новостным текстам, ученые взяли несколько изделий, которые позиционируются производителями как биоразлагаемые, поместили их в разные среды и через определенный промежуток времени обнаружили, что материалы не разлагались, а лишь рассыпались на мелкие кусочки. Эколог, популяризатор науки и координатор «Лабы» Егор Задереев вместе с известным биофизиком Екатериной Шишацкой выясняют, могут ли полимеры быть действительно биоразлагаемыми и чем они отличаются от обычных.

Егор Задереев (ЕЗ): Екатерина, это интервью выходит в «медиа для тех, кто сидел на задней парте». Поэтому для начала разберемся, что такое полимеры, чем они отличаются от биополимеров, какие из них вредные, а какие полезные?

Екатерина Шишацкая (ЕШ): Представьте себе, что вы спросили меня, полезна или вредна еда, не расшифровывая какая. Существует очень много соединений, которые подходят под определение «полимеры» и «биополимеры». Классические биологи вообще воспринимают биополимеры как структурную основу живых организмов и относят к ним такие соединения, как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, гликопротеины.

Что такое полимер? Это соединение, состоящее из множества одинаковых и повторяющихся структур атомов — мономерных единиц. Практически все, что нас сегодня окружает, — это полимеры. Они присутствуют в еде и одежде, из них сделаны машины, посуда, строительно-отделочные материалы. Плохо ли это?

Изделия из полимерных материалов существуют значительно дольше, чем нам нужно, — вот что плохо. Обычные пластики разрушаются очень долго. Поэтому нужно сделать их разрушаемыми. Когда к этому слову добавляется приставка «био-», подразумевается, что вещество будет разрушаться в биологических средах в присутствии биологических агентов. Как это происходит? Например, поместили материал в землю, а там в присутствии нужных ферментов, бактерий, представителей почвенной или водной биоты начинается разрушение.

Биоразрушаемые полимерные материалы могут быть как биологического, так и искусственного происхождения. Наш коллектив в Красноярском научном центре СО РАН и Сибирском федеральном университете занимается исследованием биоразрушаемых природных полимерных материалов. Некоторые виды бактерий в определенных условиях синтезируют эти полимеры в качестве резервного вещества — на случай голода. Научное название таких соединений — полигидроксиалканоаты, или, сокращенно, ПГА. При дефиците питания бактерии расщепляют свой неприкосновенный полимерный запас и за счет этого живут.

Суть проблемы

По оценкам ученых, к настоящему времени люди произвели около 9 миллиардов тонн пластика. Большая часть этого трудноразлагаемого материала не перерабатывается и накапливается в окружающей среде. Пластиковое загрязнение стало глобальной проблемой. Одна из мер борьбы – замена традиционных видов пластика и изделий из него на биоразлагаемые. Такие изделия, попадая в почву или воду, должны без остатка распадаться на составляющие элементы. Сегодня во многих супермаркетах вам предложат купить разрушаемый пакет стоимостью в несколько раз дороже обычного. Возможно, вы даже готовы заплатить высокую цену за такое изделие, ведь природу надо сохранять. С большой вероятностью деньги вы потратите зря – скорее всего, изделие сделано из композитного материала, и в его состав входят как разлагаемые, так и неразлагаемые материалы. Такие уловки производителей привели к распространению убеждения, что полностью разлагаемых полимеров не существует. Это неверно. Материалы, которые полностью утилизируются бактериями или другими биологическими агентами, существуют. Правда, пока их производство достаточно дорого, поэтому чаще всего они используются в медицинских целях.

ЕЗ: И уже получается синтезировать такие биополимеры?

ЕШ: Да, это естественный процесс. Ученые подсмотрели, как он протекает в природе, и научились подлавливать бактерии на пике синтеза, пока они не начали есть свой запас. Затем полимер извлекают из клеток, и дальше с ним можно работать. Особенность материалов этого класса — они «придуманы» природой, ученые лишь оптимизировали естественный процесс биосинтеза. Процессы разрушения этих материалов тоже природные. Я считаю, что это — золотой стандарт. Все технологии человечества должны иметь схожий базис, и тогда вреда окружающей среде и самому себе человек не нанесет.

Полигидроксиалканоаты разрушаются не только внутри тех бактерий, которые их синтезируют, но и другими клетками в различных экосистемах, с участием разных ферментов, на конечные продукты: воду и углекислоту. Например, внутри тела человека они дробятся и поглощаются макрофагальными клетками, что позволяет использовать их в медицинских целях.

Если мы говорим о применении изделий из этих полимерных материалов для сохранения окружающей среды, то изделия из них будут полностью утилизированы природными бактериями. Наша лаборатория уже много лет исследует, как, с какой скоростью и при участии каких микроорганизмов разрушаются ПГА. Мы наблюдаем, как закопанная в почву или подвешенная в озеро пленка из полимера постепенно «тает», потому что бактерии «едят» ее. Скорость разрушения зависит от многих параметров, которые можно контролировать на стадии синтеза. Можно сделать материал, который будет разрушаться быстро, можно такой, который разрушается годами. При этом, независимо от скорости распада, процесс деградации всегда один — до конечных продуктов, без остатка.

Екатерина Шишацкая

доктор биологических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник Красноярского научного центра СО РАН и заведующая лабораторией Сибирского федерального университета, лауреат премии Президента РФ для молодых ученых.

 

ЕЗ: Какие из биополимеров и разрушаемых полимеров уже используются на практике?

ЕШ: В медицине уже давно используют полностью биоразрушаемые изделия на основе полимеров молочной и гликолевой кислот. Для их создания сначала синтезируют мономеры — при помощи бактериальных культур, а затем проводят полимеризацию с помощью химического синтеза. Это недешевый процесс, но они почти единственные материалы на сегодня для получения объемных разрушаемых изделий, например для соединения костей, — поэтому цена окупается. Почти все разрушаемые шовные нити производят их этих полимеров, а также пластинки и винты, шпильки и скобки.

Также существуют биоразрушаемые, но полностью химически синтезированные полимеры. В медицине широко используется такое соединение, как полидиоксанон. Нити из этого вещества также разрушаются в организме.

Во всем мире полностью разрушаемых полимерных материалов, из которых можно делать объемные изделия, очень мало, и все они — дорогие. Для производства бытовых вещей некоторое время назад стали смешивать фрагменты неразрушаемого полимера с разрушаемым, для удешевления. Для связки неразрушаемых частиц пластика — полиэтилена, используют полисахариды, к таким соединениям, в частности, относится крахмал — и это тоже биополимеры, однако совсем непрочные.

Как это работает? Вы положили покупки в пакет, донесли его до дома, а потом выбросили. Полисахаридные, связующие фрагменты разрушились, а неразрушаемые частички полиэтилена остались. Вред, нанесенный окружающей среде, будет зависеть от размеров этих кусочков.

Чем мельче неразрушаемый объект, с которым встретилась живая клетка, тем хуже будет ее реакция и тем больше шансов, что она погибнет. Маленькие фрагменты неразрушаемых пластиков никуда не исчезают – они накапливаются во всех экосистемах, их поедают животные и птицы, последствия такого накопления пока плохо прогнозируемы.

Егор Задереев

кандидат биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Красноярского научного центра СО РАН, член комиссии РАН по популяризации науки

ЕЗ: Давай вернемся к материалу, который исследуют в вашей лаборатории, – в чем его основное преимущество?

ЕШ: Для этого класса материалов, ПГА, лучше всего подходит понятие биоразрушаемость – разложение с помощью природных, естественных процессов. Ничего лучшего в мире пока нет. Важно, что ПГА-соединения термопластичны, то есть из них можно делать практически любые изделия, которые нас окружают.

Активные исследования и производства различного масштаба имеются во всех развитых странах мира. Пока ПГА достаточно дороги, поэтому сейчас на мировой рынок вышли лишь медицинские изделия — это шовная нить и хирургическая сетка. Их выпускают в Германии из сырья, которое получают в Азии, по патентам США. На уровне этих изделий вопрос цены решен — они уравнены с изделиями на основе полилактидов-гликолидов.

Следующий уровень для разрушаемых медицинских изделий — элементы для остеосинтеза. А дальше идут сложные изделия по индивидуальным данным — напечатанные на 3D-принтере для каждого пациента, по его снимкам. Мы в лаборатории прошли все этапы и видим, что возможности ПГА-материала практически универсальны. Сейчас идут биологические эксперименты, но до клинических испытаний еще очень далеко.

ЕЗ: Есть ли надежда, что из медицины это пойдет в быт?

ЕШ: Возможно даже, что в быт биополимеры массово придут быстрее, чем в медицину. Для бытовых применений не нужны сверхчистые образцы, а процесс очистки составляет значительную часть цены полимера. Для производства медицинских изделий требуется очистить материал от элементов бактериальных клеток, которые синтезировали этот полимер, и это – сложно и дорого. Для производства бытовых пластиковых вещей этого не нужно, ведь имплантировать их не будут.

Кстати, если говорить про загрязнение окружающей среды, то на очистку материала уходят реагенты, которые потом тоже составляют экологическую проблему. Поэтому процесс производства, выделения и очистки полимеров, возвращения реагентов постоянно улучшается.

ЕЗ: Как вы относитесь к запрету использования неразрушаемого пластика?

ЕШ: Положительно. Смотрите, какой интересный момент. Многие используют одноразовую посуду много раз, споласкивая ее. Это абсолютно неправильно. Такая посуда предназначена для однократного использования, и даже если ее мыть, она покрывается бактериальной пленкой, а это рассадник инфекции. Представьте ситуацию, когда в школе, например, ставят аппарат для розлива питьевой воды, покупают дешевые одноразовые стаканчики и ученики их используют по многу раз. Это просто ужас!

Но если использовать весь одноразовый пластик лишь один раз, получаются огромные даже в масштабах планеты объемы мусора. Мы даже не замечаем, сколько ежедневно тратим пакетов, упаковок, пленки. Например, тонкая пленка в рулонах, которая стоит очень дешево. Домохозяйки заворачивают в нее продукт и после каждого использования, не задумываясь, эти куски выбрасывают. И их накапливаются тонны. Можно убрать из нашей повседневной жизни множество полимерных изделий, и это будет очень эффективно в плане снижения пластикового захламления. Например, если в магазин ходить с сумочкой или с рюкзаком, а не покупать каждый раз пакеты, и для хранения дома использовать обычные емкости из металла или стекла.

Когда я говорю про запрет пластика, я не рассматриваю это условием для вывода нашего материала на рынок. Мы пока даже не думаем о том, чтобы все сделать из биоразрушаемых полимеров. Человечество сейчас в принципе должно научиться думать, сколько ресурсов оно тратит.

ЕЗ: Получается, тонкую пищевую пленку из биополимера не стоит делать?

ЕШ: В принципе это возможно, хотя пока мы далеки технологически. Давайте просто уберем такие форматы потребления из нашего обихода, чтобы ни одна рыба ее не проглотила и ни один птенец эту пленку с помойки не подобрал. Сначала нужно законодательно ее запретить, а потом домохозяйки вспомнят, что у них дома много формочек, мисочек, крышечек. Для чего используется пленка? Закрыть что-то, к примеру, открытую банку консервов. Переложите остатки в фарфоровую емкость с крышкой, получится даже лучше – ее потом можно поставить на стол, а потом вымыть и использовать для чего-то другого.

ЕЗ: Мы говорили про комбинированный пластик, который разрушается, но не полностью, так как в его состав входит неразлагаемый материал. Получается, нужно запрещать не только тип изделий, например одноразовые тарелки, но и конкретный материал.

ЕШ: Любое производство — это большие деньги. Возможно, кто-то из производителей таких разрушаемых изделий из неразлагаемых пластиков даже получает субсидии или гранты. Для несведущего такой продукт кажется более безопасным для окружающей среды. Опыт последних лет показывает, насколько вредными для окружающей среды оказались такие изделия. А люди платят за них больше и чувствуют себя спокойно, при этом в детали их не посвящают.

Многие в мире уже и сейчас используют многоразовые бутылки, чтобы не покупать бутилированную в пластик воду, ходят в магазин со своей сумкой. Привычки медленно меняются, но внешнее регулирование в вопросах использования пластиков необходимо. Бизнес сам вряд ли пойдет на ограничения в части упаковки и использования дешевых и прочных материалов. Регулирование должно осуществляться на уровне государства. В тех странах, где ограничили потребление пакетов и пленки, это было сделано законодательно.

В сухом остатке я бы сказала, что бытовое, повседневное потребление пластика надо снижать в принципе, причем быстро. О пластиковом захламлении говорить надо, и говорить надо громко — чем больше людей в курсе, тем эффективнее общественные меры.

Если же мы говорим о замещении химически синтезированных полимеров биоразлагаемыми пластиками, то это надо делать размеренно, развивая технологию удешевления материала, причем это можно сделать только в процессе производства. Нельзя много лет в лаборатории думать, как сделать все идеально, а потом организовать дешевое работающее производство. Как только запущена не лабораторная или опытная, а промышленная линия, начинается практическая работа по оптимизации процесса, и в течение нескольких лет новая технология выходит на рынок. Если же ничего не делать, а только разговаривать, как это часто происходит, то ничего и не будет.