Человечество остро нуждается в способе избавиться от все растущих гор пластикового мусора. Сотни миллиардов полиэтиленовых пакетов, которые не смогут разложиться еще несколько веков, ежегодно оказываются на свалках. Возможно, решение случайно нашла испанская исследовательница, которая в свободное от работы время решила почистить пчелиный улей.
Пчеловод-любитель Фредерика Берточчини из испанской провинции Кантабрия работала на своей небольшой пасеке. Она закончила не самую приятную ее часть, вычистив из ульев личинок огневки, пчелиной моли. Личинки огневки питаются воском пчелиных сот и медом. В России популярен (научно ничем не подтвержденный) миф, что таким образом они вбирают в себя целительную силу – и поэтому используются как средство народной медицины. Иной пчеловод настоял бы гусениц на водке и потреблял как средство от атеросклероза, но для Берточчини личинки были просто маленькими вредителями. Она собрала их в полиэтиленовый пакет, оставила в сарае и продолжила заниматься ульями.
“Когда я закончила, я вернулась в помещение, где оставила червяков, и обнаружила, что они расползлись повсюду. Разбежались из пакета, хотя он был хорошо закрыт, и когда я присмотрелась, оказалось, что в нем полно дыр. Объяснение было только одно: гусеницы сами проели дыры, чтобы сбежать”, – рассказывает Берточчини в специальном пресс-релизе, выпущенном Испанским национальным исследовательским советом (CSIC).
Большая восковая моль
Казалось бы, еще одна проблема, но Берточчини не только пчеловод, но и исследователь, работающая в Кантабрийском институте биомедицины и биотехнологии. Ее область научных интересов не связана с гусеницами или пчелами, Берточчини изучает раннее развитие эмбрионов животных. Но она знала, что гусеницы вообще-то не едят полиэтилен. Его вообще почти никто не ест, тем более с такой ошеломительной скоростью. “Так и начался наш проект”, – говорит она.
***
Полиэтилен был впервые получен в конце девятнадцатого века, вновь переоткрыт в 1930-е годы, в первое время использовался в качестве материала для изоляции телефонного провода, а с 1950-х для упаковки. В этом качестве он быстро завоевал популярность, и сегодня около 40 процентов от объема всех производимых в мире изделий из пластика – полиэтиленовая упаковка, в том числе триллион пакетов. То есть более сотни на каждого жителя Земли.
При многочисленных функциональных достоинствах у полиэтилена есть один критический недостаток: он крайне медленно разлагается в естественной среде и поэтому накапливается в биосфере в огромных объемах. Полиэтилен получают из нефтепродуктов, а нефть, в свою очередь, продукт длящегося миллионы лет разложения живых организмов. Казалось бы, если этот полимер состоит из останков древней органики, он должен быть привлекательной пищей для современных живых существ, например, бактерий. Но в действительности это не так. Дело в том, что мономеры длинных молекул полиэтилена соединены между собой углерод-углеродной химической связью, редко встречающейся в природе в качестве соединения при образовании длинных молекул. Для создания такой связи требуется большая энергия – не проблема для химической фабрики, но природа обычно предпочитает действовать экономно и чаще использует пептидные связи. Длинные молекулы в естественной среде не редкость, это белки (например, в тканях животных), полисахариды (например, целлюлоза в древесине) и многие другие вещества, но расщеплять их живые организмы прекрасно научились в ходе эволюции.
Поэтому выброшенный огрызок яблока сгниет за пару дней, то есть будет съеден микроорганизмами, а вот разложение выброшенного пакета может занять сотни лет – он просто никому не по зубам, это новая, непривычная для жизни пища. При этом химическое разложение полиэтилена – дело тоже очень непростое. При его сжигании выделяется слишком много вредных веществ, другие промышленные процессы занимают месяцы, наконец, полиэтилен очень плохо поддается переработке (ресайклингу). Всего в мире ежегодно выбрасывается более 100 000 тонн полиэтилена. Даже в странах Европейского сообщества, с традиционно высокой культурой переработки и повторного использования отходов, более трети пластикового мусора, преимущественно полиэтиленового, оказывается на открытых свалках, откуда попадают в водостоки, в реки, засоряя мировой океан.
***
Именно поэтому дыры в полиэтиленовом мешке с гусеницами так заинтересовали Фредерику Берточчини. Повторный эксперимент показал, что, если оставить в обычном пакете 100 личинок на 12 часов, они успевают съесть 92 миллиграмма материала. Конечно, это не строгое научное исследование, в первую очередь, нужно было выяснить, что личинки восковой моли не просто механически прогрызают полимер, как это могли бы сделать и голодные крысы, а действительно переваривают его, превращая в другое вещество. Для этого исследовательница растерла гусениц в пасту и нанесла ее на пленку. Через 14 часов масса образца уменьшилась примерно на 13 процентов.
Для более точных измерений Берточинни привлекла Паоло Бомбелли и Кристофера Хоува из Кембриджского университета, их совместная статья только что опубликована в журнале Current Biology. Ученые утверждают, что содержащиеся в личинках огневок вещества действительно способны разлагать полиэтилен. Анализ показал, что при нанесении пасты из гусениц на участок пленки площадью 1 квадратный сантиметр, разложение, правильнее сказать, переваривание, происходит со скоростью 0,23 мг в час. Основной продукт этого процесса – этиленгликоль, простой двуатомный спирт с небольшой молекулой, который в промышленности используют, например, в качестве антифриза.
Есть два вопроса, на которые у ученых пока нет ответа: во-первых, почему эти гусеницы в принципе умеют переваривать материал, который оказывается не по зубам (почти) всем другим известным живым существам? Во-вторых, как они все-таки это делают?
Соображения по первой загадке все-таки есть: личинки восковой моли, огневки, питаются среди прочего пчелиным воском, в состав которого входят вещества с той же редкой в природе углерод-углеродной связью, что сцепляет звенья молекулы полиэтилена. Возможно, сталкиваясь с этой “косточкой” в рационе на протяжении мириадов поколений, они эволюционировали до возможности ее разжевывать.
Второй вопрос самый интересный, потому что ответ на него может дать нам способ решить одну из самых насущных экологических проблем. Никто всерьез не помышляет об уничтожении гор полиэтиленового мусора с помощью полчищ гусениц, хотя бы потому, что вряд ли они захотят питаться одним только пластиком, да и в качестве продукта жизнедеятельности оставят не только этиленгликоль, но и крохотные обрывки полиэтилена, еще более опасные для окружающей среды, чем пакеты. Нас интересует биохимическая особенность их организма, которая позволяет расщеплять полимер. Может быть, это какой-то особый фермент, хитрая органическая молекула, до которой человек не смог бы додуматься сам, а теперь сможет подсмотреть у личинки огневки, а может, какая-то бактерия, живущая у гусеницы в желудке.
***
На самом деле, личинки огневок – не первые живые существа, замеченные за способностью поедать полиэтилен. Биоразложения этого материала добивались с помощью грибков Penicillium simplicissimum, с помощью микробов Nocardia asteroides, с помощью бактерий из желудочной флоры другого вида гусениц. Правда, аппетит этих микроорганизмов к полиэтилену был значительно хуже, чем у личинок огневок: для переваривания пленки им нужны были в лучшем случае недели, а обычно месяцы, а не несколько дней, как гусеницам восковой моли.
Результаты эксперимента
Конечно, случайное открытие Берточчини – еще не революция в науке и переработке отходов, некоторые специалисты даже до сих пор сомневаются, что гусеницы огневок в самом деле переваривают полимер, а не возвращают его наружу всего лишь в хорошо пережеванном виде. Потребуется еще много дополнительных экспериментов и исследований, которые, если повезет, дадут нам нужную для борьбы с мусором молекулу. В любом случае, можно не сомневаться: единственный эффективный способ избавиться от полиэтиленовых гор – найти, кому их можно скормить. Еще один, не менее яркий вывод: важные научные открытия могут быть даже в дырявом мешке с червяками.