На сегодняшний день более 250 000 тонн пластиковых отходов плавает в водах мирового океана. Тихий океан оценивается как самый загрязненный водный участок Северного полушария, тогда как в Южном полушарии Индийский океан оказался грязнее Тихого и Атлантического вместе взятых. При этом Тихий океан описывается как наиболее загрязненный пластиковыми отходами океан на Земле. Пластиковое загрязнение перемещается по всему мировому океану под воздействием преобладающих ветров и течений. Это было показано для северного полушария, где долгосрочный, в течение нескольких лет, перенос воды и, соответственно, отходов приводит к накоплению пластикового мусора в центре океанических бассейнов,. Аналогичные закономерности установлены для всех океанов южного полушария. Удивительно, но общее количество пластика, определенное для океанов южного полушария, находится в том же количественном диапазоне, что и для океанов северного полушария, что является неожиданным, учитывая, что в северном полушарии источников поступления пластика значительно больше, чем в южном. Это означает, что пластиковые изделия легче перемещаются и перераспределяются между океаническими течениями и между полушариями, чем предполагалось ранее.

Однако конечная судьба плавающего микропластика находится не на поверхности океана. Наблюдения за тем, что на поверхности моря находится гораздо меньше микропластика, чем можно было бы ожидать, свидетельствуют о том, что существуют какие-то процессы удаления пластиковых отходов с водяной поверхности. К ним относятся деградация ультрафиолетом, биоразложение, проглатывание организмами, снижение плавучести из-за обрастания организмами и оседание на дно, а также выброс на берег.

Пластиковые отходы могут быть разложены (деградированы) либо физико-химическими (абиотическими) процессами, либо путем биоразложения (биотическими). Разрушение полимерного материала под действием физических сил механической природы обычно считается первым шагом, который играет жизненно важную роль в любом процессе деградации. Деградация пластмасс в окружающей среде может происходить по одному или комбинации четырех основных механизмов: фотодеградация, гидролиз, термоокислительная деградация и биодеградация. В естественных условиях (например, в морской среде) деградация обычных пластмасс, таких как ПЭНД, ПЭВД и ПП (LDPE, HDPE, PP), начинается с фотодеградации (в основном под воздействием УФ-B излучения) и продолжается термоокислением и, в меньшей степени, разложением водой – гидролизом.

Новое исследование, опубликованное учеными из Океанографического института Woods Hole, показывает, что полистирол (PS), один из самых распространенных в мире пластиков, под воздействием солнечного света может разлагаться за десятилетия или столетия, а не за тысячи лет, как считалось ранее. Частичное разложение полистирола происходит всего лишь за 10-50 лет в зависимости от вида пластика. А его полное фотохимическое окисление возможно за 300-450 лет. Солнечный свет вызывает не только физическое разрушение пластмасс, но и их химическое разложение на растворенный органический углерод и незначительное количество углекислого газа, попадающего в атмосферу.

Процессы деградации приводят к фрагментации пластмасс, когда они разламываются на более мелкие куски, и снижению молекулярной массы полимеров. Затем эти вещества с низкой молекулярной массой могут быть метаболизированы микробами. В любом случае, весь процесс обычно протекает настолько медленно, что для полного разложения пластиковых полимеров другими организмами может потребоваться более 50 лет.

Многие сложные природные и синтетические соединения подвергаются биоразложению микробными консорциумами, а не отдельными штаммами, что, вероятно, связано с ограниченными метаболическими возможностями отдельных организмов. Поэтому можно предположить, что пластиковые отходы как одна из основных экологических проблем, с которыми сталкивается современное общество, могут более эффективно разлагаться объединением разных групп организмов. Биоразложение пластмасс относится в основном к преобразованию полимерных материалов в биогаз и биомассу в отсутствие воздуха анаэробными микроорганизмами,,, которые могут эффективно использовать полимеры в качестве источника углерода для своего роста. Однако сама природа пластмасс, а также их особые физико-химические свойства препятствуют их биоразложению, делая их слабым субстратом для роста.

Биоразложение пластиковых отходов начинается с ферментативного расщепления полимерной цепи на соединения с низкой молекулярной массой, такие как олигомеры, димеры и мономеры, которое происходит путем связывания фермента с полимером и катализа (ускорения) его гидролитического расщепления (водой). Процесс заканчивается превращением этих низкомолекулярных соединений в углекислый газ и воду. Бактерии, грибы и водоросли, как сообщается, являются эффективными организмами, способными разлагать пластмассовые полимеры.

Грибы играют ключевую роль в деградации полимерных материалов. Мицелий гриба может эффективно проникать через их поверхность вглубь их массы, чтобы разложить максимальное количество этого субстрата. Кроме того, мицелий гриба может выделять внеклеточные ферменты (например, деполимеразы) и расщеплять полимерный субстрат на олигомеры, димеры и мономеры, то есть фрагменты с низкой молекулярной массой,. Затем эти мономеры поглощаются грибами и либо усваиваются, либо превращаются в углекислый газ и воду их внутриклеточной ферментативной системой. С этой точки зрения, грибы белой и бурой гнили часто упоминаются как эффективные разлагатели полимерных пластмассовых веществ.

Аналогичным образом, штаммы бактерий могут разлагать полимерные вещества пластика в загрязненной воде или почве. В ряде исследований сообщалось, что биодеградация пластика специализированными бактериями может быть перспективной стратегией биоремедиации для загрязненных экосистем. Такие бактериальные штаммы, как Pseudomonas spp., Bacillus spp. и Streptomyces spp. демонстрируют высокую эффективность деградации различных пластиковых полимеров,. В любом случае, скорость деградации пластмасс грибами превышает скорость, достигнутую бактериальными штаммами. Но с другой стороны, некоторые авторы сообщают, что бактерии легче выращивать и разлагать с их использованием полимерные материалы по сравнению с грибами, которым требуются более стабильные условия.

До настоящего времени лишь в нескольких исследованиях сообщалось о способности видов водорослей смягчать загрязнение пластиковыми отходами. Это наблюдение касалось способности нитчатых водорослей колонизировать поверхность пластиковых отходов благодаря наличию таких факторов окружающей среды, как солнечный свет, питательные вещества и вода, которые жизненно необходимы для роста водорослей,. Было установлено, что несколько неопасных и нетоксичных видов водорослей из Bacillariophyceae, Chlorophyceae и Cyanophyceae способны обрастать полиэтиленовые поверхности и образовывать водорослевые биопленки в различных загрязненных водных объектах, таких как пруды, озера и сточные воды. В этой связи авторы сообщают, что просто выделяемые и быстрорастущие Phormidium lucidum и Oscillatoria subbrevis (пресноводные нетоксичные цианобактерии) могут образовывать колонии на поверхности PE и эффективно разлагать HDPE без предварительной обработки.

Более того, некоторые виды бактерий и грибов, такие как Ideonella sakaiensis и Pestalotiopsis microspore, используемые для получения фермента PETase, плохо адаптируются к морской среде обитания, где происходит накопление большинства пластиковых отходов. Было показано успешное использование диатомовой водоросли Phaeodactylum tricornutum в качестве микробиальной фабрики для получения продвинутой PETase, которая обладает активностью по отношении PET и ко-полимера PETG (полиэтилентерефталата гликоль-модифицированного).

А еще было подтверждено биоразложение полимеров несколькими беспозвоночными животными, такими как суперчерви Zophobas atratus, индийская мучная моль Plodia interpunctella, большая восковая моль Galleria mellonella, личинки мучного червя Tenebrio molitor, малая восковая моль Achroia grisella, сухопутные улитки (Achatina fulica), термиты и другие беспозвоночные. Такая выдающаяся активность в разложении пластиковых полимеров обычно приписывается их кишечным микробным симбионтам,, поскольку именно при их участии некоторые виды беспозвоночных обладают способностью питаться древесиной или другими полимерными соединениями

Пластмассы нашли широкое применение благодаря своим уникальным свойствам и поэтому считаются одним из самых необходимых материалов в нашей жизни. Тем не менее, вредное воздействие пластиковых отходов пропорционально их использованию и накоплению в окружающей среде. Соответственно, характеристики пластиковых материалов являются настоящим вызовом для разложения микробами или даже колонизации на их поверхности. Участие нескольких микроорганизмов и беспозвоночных в биодеградации пластика было отмечено многими исследователями, что свидетельствует об их фундаментальной роли в процессе биодеградации материала.

Исходя из этого, ученые-специалисты подчеркивают роль и значение предварительной обработки пластиковых отходов (физической и/или химической) как первого и важного шага, который часто является предпосылкой для микробной деградации пластиковых полимеров. Микроорганизмы, водоросли, насекомые, питающиеся пластиком, и другие виды беспозвоночных могут сыграть важную роль в биоразложении пластика в будущем. Исследования предлагают создание экологически чистой, эффективной и недорогой технологии утилизации и разложения пластиковых отходов с целью преодоления накопления пластиковых отходов в окружающей среде.

Источники:

1. Eriksen M. et al. Plastic pollution in the world's oceans: more than 5 trillion plastic pieces weighing over 250,000 tons afloat at sea //PloS one. – 2014. – Т. 9. – №. 12. – С. e111913.
2. Law K. L. et al. Plastic accumulation in the North Atlantic subtropical gyre //Science. – 2010. – Т. 329. – №. 5996. – С. 1185-1188.
3. Eriksen M. et al. Plastic pollution in the South Pacific subtropical gyre //Marine pollution bulletin. – 2013. – Т. 68. – №. 1-2. – С. 71-76.
4. Lebreton L. C. M., Greer S. D., Borrero J. C. Numerical modelling of floating debris in the world’s oceans //Marine pollution bulletin. – 2012. – Т. 64. – №. 3. – С. 653-661.
5. Barnes D. K. A. et al. Accumulation and fragmentation of plastic debris in global environments //Philosophical transactions of the royal society B: biological sciences. – 2009. – Т. 364. – №. 1526. – С. 1985-1998.
6. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
7. Cole M. et al. Microplastics as contaminants in the marine environment: a review //Marine pollution bulletin. – 2011. – Т. 62. – №. 12. – С. 2588-2597.
8. Ward C. P. et al. Sunlight converts polystyrene to carbon dioxide and dissolved organic carbon //Environmental science & technology letters. – 2019. – Т. 6. – №. 11. – С. 669-674.
9. Webb H. K. et al. Plastic degradation and its environmental implications with special reference to poly (ethylene terephthalate) //Polymers. – 2012. – Т. 5. – №. 1. – С. 1-18.
10. Ali S. S. et al. Enhanced digestion of bio-pretreated sawdust using a novel bacterial consortium: microbial community structure and methane-producing pathways //Fuel. – 2019. – Т. 254. – С. 115604.
11. Ali S. S. et al. The effects of water hyacinth pretreated digestate on Lupinus termis L. seedlings under salinity stress: A complementary study //Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2019. – Т. 7. – №. 3. – С. 103159.
12. Ali S. S., Sun J. Effective thermal pretreatment of water hyacinth (Eichhornia crassipes) for the enhancement of biomethanation: VIT® gene probe technology for microbial community analysis with special reference to methanogenic Archaea //Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2019. – Т. 7. – №. 1. – С. 102853.
13. Magnin A. et al. Evaluation of biological degradation of polyurethanes //Biotechnology Advances. – 2020. – Т. 39. – С. 107457.
14. Biffinger J. C. et al. A direct quantitative agar-plate based assay for analysis of Pseudomonas protegens Pf-5 degradation of polyurethane films //International Biodeterioration & Biodegradation. – 2014. – Т. 95. – С. 311-319.
15. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
16. Sánchez C. Fungal potential for the degradation of petroleum-based polymers: An overview of macro-and microplastics biodegradation //Biotechnology advances. – 2020. – Т. 40. – С. 107501.
17. Ameen F. et al. Biodegradation of Low Density Polyethylene (LDPE) by Mangrove fungi from the red sea coast //Progress in Rubber Plastics and Recycling Technology. – 2015. – Т. 31. – №. 2. – С. 125-143.
18. Ali S. S. et al. Construction of a novel cold-adapted oleaginous yeast consortium valued for textile azo dye wastewater processing and biorefinery //Fuel. – 2021. – Т. 285. – С. 119050.
19. Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., Toyohara, K., Miyamoto, K., Kimura, Y., Oda, K., 2016. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethyleneterephthalate). Science 351, 1196–1199.
20. Li J. et al. Rapid biodegradation of polyphenylene sulfide plastic beads by Pseudomonas sp //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 720. – С. 137616.
21. Matjašič T. et al. Critical evaluation of biodegradation studies on synthetic plastics through a systematic literature review //Science of the Total Environment. – 2021. – Т. 752. – С. 141959.
22. Muhonja C. N. et al. Biodegradability of polyethylene by bacteria and fungi from Dandora dumpsite Nairobi-Kenya //PloS one. – 2018. – Т. 13. – №. 7. – С. e0198446.
23. Amobonye A. et al. Plastic biodegradation: Frontline microbes and their enzymes //Science of the Total Environment. – 2021. – Т. 759. – С. 143536.
24. Moog D. et al. Using a marine microalga as a chassis for polyethylene terephthalate (PET) degradation //Microbial cell factories. – 2019. – Т. 18. – №. 1. – С. 1-15.
25. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
26. Sarmah P., Rout J. Efficient biodegradation of low-density polyethylene by cyanobacteria isolated from submerged polyethylene surface in domestic sewage water //Environmental Science and Pollution Research. – 2018. – Т. 25. – С. 33508-33520.
27. Moog D. et al. Using a marine microalga as a chassis for polyethylene terephthalate (PET) degradation //Microbial cell factories. – 2019. – Т. 18. – №. 1. – С. 1-15.
28. Yang Y., Wang J., Xia M. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating superworms Zophobas atratus //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 708. – С. 135233.
29. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
30. Bombelli P., Howe C. J., Bertocchini F. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella //Current biology. – 2017. – Т. 27. – №. 8. – С. R292-R293.
31. Brandon A. M. et al. Biodegradation of polyethylene and plastic mixtures in mealworms (larvae of Tenebrio molitor) and effects on the gut microbiome //Environmental science & technology. – 2018. – Т. 52. – №. 11. – С. 6526-6533.
32. Kundungal H. et al. Efficient biodegradation of polyethylene (HDPE) waste by the plastic-eating lesser waxworm (Achroia grisella) //Environmental Science and Pollution Research. – 2019. – Т. 26. – С. 18509-18519.
33. Song Y. et al. Biodegradation and disintegration of expanded polystyrene by land snails Achatina fulica //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 746. – С. 141289.
34. Engel P., Moran N. A. The gut microbiota of insects–diversity in structure and function //FEMS microbiology reviews. – 2013. – Т. 37. – №. 5. – С. 699-735.
35. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
36. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
37. Ali S. S., Sun J. Physico-chemical pretreatment and fungal biotreatment for park wastes and cattle dung for biogas production //SpringerPlus. – 2015. – Т. 4. – С. 1-14.
38. Ali S. S., Abomohra A. E. F., Sun J. Effective bio-pretreatment of sawdust waste with a novel microbial consortium for enhanced biomethanation //Bioresource technology. – 2017. – Т. 238. – С. 425-432.
39. Ali S. S. et al. Screening and characterizing of xylanolytic and xylose-fermenting yeasts isolated from the wood-feeding termite, Reticulitermes chinensis //PLoS One. – 2017. – Т. 12. – №. 7. – С. e0181141.
40. Ali S. S. et al. The role of gut symbionts from termites: a unique hidden player from yeasts //Acta Microbiol Sin. – 2018. – Т. 58. – №. 6. – С. 1004-1015.
41. Selonen S. et al. Exploring the impacts of plastics in soil–The effects of polyester textile fibers on soil invertebrates //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 700. – С. 134451.
42. Yang Y., Wang J., Xia M. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating superworms Zophobas atratus //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 708. – С. 135233.