Бактерии, как и грибы, есть везде: от глубоководных термальных источников до ледяного антарктического озера, в растениях, животных и людях. Некоторые их виды могут испортить продукты и повредить урожай, а другие помогают при производстве ферментированных продуктов. Но есть и более необычные варианты их применения: ученые работают над бактериальной переработкой разного вида отходов — пластика, нефти, электроники и продуктов металлургической промышленности. Почитайте, как бактерии могут изменить будущее человечества.
Бактерии — это одноклеточные микробы без ядра, одни из самых древних обитателей Земли: они живут на нашей планете более 3 млрд лет. Микробы (микроорганизмы) — все существа, не видимые невооруженным глазом. Микроорганизмы сделали наш мир пригодным для жизни. Анаэробные бактерии (не требующие кислорода) в результате фотосинтеза начали обогащать атмосферу кислородом — так жизнь смогла выйти из воды на землю.
Бактерии, как и вирусы, грибы и другие простейшие, — отдельная группа существ. Они подразделяются на пять групп в зависимости от их формы:
Они могут существовать как отдельные ячейки, так и парами, цепочками или кластерами.
Тема бактерий огромна, их можно изучать в любой сфере деятельности человека, но в этот раз разберемся с их местом в технологическом и экологическом прогрессе.
Традиционная, но не очень известная сфера применения бактерий (точнее, микроорганизмов) — очистка окружающей среды: сточных вод, мусорных свалок, переработка органических отходов.
Жизнедеятельность бактерий обеспечивает биотопливо (это одно из развивающихся направлений «зеленой энергетики») — то есть любое топливо, которое получают из биомассы растительного, водорослевого материала или отходов животного происхождения. В результате получается этанол, метан, дизель. Микробы «превращают» органические отходы в форму, удобную для использования человеком. Самая удобная — «биогаз» на основе метана.
Сами по себе бактерии не могут решить проблему мусора в мире, только в триединстве с эконаправленными технологиями и усилиями всего общества. Необходимы раздельный сбор отходов, который обеспечит чистоту от тяжелых металлов (например, от батареек), и инфраструктура производства удобрения из органических отходов. Такие технологии будут массово применяться в будущем.
Думаю, что бактерия не может выйти из-под контроля, так как сама по себе она лишь биокатализатор в руках человека. Не автомат Калашникова убивает, а сами люди. Так и бактерии: применив бездумно тот или иной микроорганизм, можно навредить природе. При этом организм растет там, где есть для него условия. Не будет условий — не будет роста и выхода из-под контроля.
Микробиологические процессы широко применяют при переработке твердых коммунальных отходов (ТКО) с помощью компостирования и сбраживания. При компостировании обязательно присутствие кислорода, а при сбраживании, наоборот, нужно обеспечить его полное отсутствие.
Задача биотехнолога — создать благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, которые преобразуют опасные и дурно пахнущие отходы в полезные продукты: компост, техногрунт, биогаз.
Если создать контролируемые и управляемые условия, можно сократить сроки разложения до 28–56 суток и снизить вредное воздействие на окружающую среду.
Компостирование. Чтобы компостирование было успешным, нужны условия, подходящие для развития микробного сообщества: влажность, доступ кислорода, необходимая температура, перемешивание. Вначале деструкторы органических отходов — в основном молочнокислые бактерии и грибы, использующие для питания растворимые сахара, белки и аминокислоты. Во время последующей высокотемпературной фазы появляются термофильные бактерии, а популяции грибов сокращаются. На заключительном этапе компостирования активны грибы и бактерии, они разлагают труднодоступную органику (целлюлозу, лигнин).
Сбраживание. Один из наиболее перспективных способов утилизации ТКО — аэробно-анаэробная технология, которая позволяет производить не только компост, но и биогаз на основе метана.
Развитие технологий компостирования и сбраживания биоразлагаемой части мусора — перспективные направления. Они уже начинают активно внедряться в нашу жизнь. Сейчас в России на новых комплексах по переработке отходов (КПО) строят цеха компостирования пищевых отходов, листового опада и другого биоразлагаемого мусора.
На таких комплексах мусор подвергают механико-биологической обработке: извлекают полезные фракции (вторсырье) и отделяют материалы для производства топлива из отходов, механически сепарируют фракции, компостируют или сбраживают с получением биогаза. В результате получаются биостабилизированные остаточные отходы, которые затем разместят на полигонах. Так в атмосферу и на полигоны попадает меньше вредных и дурно пахнущих веществ, а на полигоне образуется меньше опасного фильтрата — а значит, он прослужит дольше.
Бактерии, разлагающие мусор, распространены и в других местах, например в почве или компосте. Если пищи много — а мусор для них пища — микробы размножаются. Но когда питательные вещества заканчиваются, рост активно разлагающих бактерий замедляется. Это значит, что мы можем контролировать их количество.
Большинство бактерий компоста безвредны: они не принесут проблем со здоровьем, если соблюдать стандартные правила гигиены. Более того, много патогенов погибает при компостировании отходов из-за высокой температуры и антимикробных веществ.
В 2016 году японские ученые опубликовали очень важное открытие. Собрав образцы почвы, воды и ила у завода по переработке бутылок в Осаке, они обнаружили бактерии, которые научились разлагать пластик. Бактерии Ideonella sakaiensis могли питаться только определенным видом пластика — ПЭТ, из которого делают бутылки и другую тару. Подобные открытия были сделаны в США и Германии.
Сейчас ученые работают над улучшением показателей этого фермента, что позволит в будущем построить объекты промышленного масштаба, где бактерии будут «переваривать» целые груды пластика. Такие бактерии необходимо подвергнуть биоинженерному изменению, чтобы они могли разлагать пластик в сотни или тысячи раз быстрее.
В октябре 2020 года процесс усовершенствовали, объединив два поедающих пластик фермента, которые производили бактерии, в один «суперфермент».
Микробиологи из Гонконга нашли способ использовать бактерии для улавливания микропластиков. Ученые используют бактериальные биопленки — это липкое вещество, с помощью которого микроорганизмы улавливают микрочастицы. Биопленки заставляют микропластики собираться вместе, они оседают — так их становится удобнее собирать. Как только они опускаются на дно реактора, исследователи применяют ген рассеивания биопленки и та высвобождает микропластики. Теперь они готовы для переработки.
Пока некоторые бактерии неспособны полностью разложить пластик на первоначальные химические элементы, включая углерод и водород. Вместо этого они обычно расщепляют полимеры, из которых состоят пластмассы, на мономеры, из которых зачастую можно сделать лишь еще больше пластмасс. То есть ПЭТ-пластик может превратиться только в сырье для производства большего количества пластика.
Молодые ученые из университета МИСиС разработали новую технологию переработки металлургических и горнопромышленных отходов с помощью тионовых бактерий, которые окисляют железо и выделяют энергию. Из этих отходов можно вынуть ценное сырье и получить высококачественные пигменты для лакокрасочной и косметической промышленности.
Открытие весьма актуально. В России ежегодно образуется около 6 млрд тонн металлургических и горнопромышленных отходов, но вторично используется только 15% из них. Основная часть отходов отправляется в утиль, создавая экологические проблемы для людей и природы.
Разрушение сложных веществ с помощью живых организмов называется биодеградацией. Утечка нефти и загрязнение водной среды — это серьезная угроза для экосистем и человека, потому что токсичные органические материалы попадают в пищевую цепочку. Такие разливы будут происходить, пока человечество будет использовать нефть.
Это единственный способ добраться до глубоководных районов и там разрушить кольцевые структуры углеводородов в нефти с помощью ферментов и кислорода из морской воды. Бактерии, потребляющие нефть, встречаются во всех океанах Земли.
В мире ежегодно производится огромное количество электронных отходов (e-отходов). Электронное цунами подпитывается неправильно выброшенными телефонами, планшетами и другими устройствами. В 2020 году во всем мире произвели рекордных 53,6 млн тонн электронных отходов. К 2030 году этот показатель достигнет 74 млн тонн.
Большая часть e-отходов накапливается на свалках, где токсичные металлы попадают в подземные воды и пищевые цепочки, угрожая здоровью человека и окружающей среде. Горы электронных отходов содержат драгоценные металлы — к примеру, около 7% мирового золота. Если их безопасно извлечь и переработать, их можно использовать снова для производства новых вещей. Чтобы извлекать нужные металлы, можно использовать не только токсичные технологии, но и безопасные бактерии.
Биологическое выщелачивание требует очень мало энергии и поэтому имеет небольшой углеродный след. Также этот метод не предполагает использование токсичных химикатов, что делает его экологически чистым и безопасным. Такая микробиологическая технология — это экономическая альтернатива для горнодобывающей промышленности в то время, когда истощаются высококачественные минеральные ресурсы.
Мы живем во времена, когда для выживания в будущем нужно кооперироваться и решать глобальные задачи — например, бороться с последствиями бездумного использования пластика. Бактерии могут помочь сохранить наш дом — так же, как когда-то помогли запустить процессы по его «строительству».