Ванильные мечты о пластике

Различные технологии переработки пластиковых отходов известны и работают давно. Как правило, это вторичная переработка того же пластика, возвращающая его к новой жизни. Но есть альтернатива: «разобрать» полимер на мономеры, а из мономеров синтезировать что-то новое. И несмотря на устойчивость пластиков к биодеградации, это можно сделать с помощью биотехнологий.

Фото: ТАСС

Несъедобные полимеры

Мы постоянно сталкиваемся с пластиковыми отходами: бутылки на обочине дорог, пластиковые пакеты, летающие в воздухе над нашими головами… Пластики не разлагаются естественным путем, в отличие от органики биологического происхождения. Это рукотворные материалы, их не существует в природе, поэтому и нет природных механизмов их утилизации. Сегодня из почти 360 миллионов тонн пластмасс, ежегодно производимых в мире, половина попадает на свалку или в окружающую среду. Разумеется, накопление пластиков в природе ведет к серьезным экологическим проблемам,

Сразу уточним: в этой статье речь пойдет не про пластики вообще, а про конкретный пластик, один из самых распространенных в мире — полиэтилентерефталат (ПЭТ или PET, если на английском). На любом пластиковом изделии есть соответствующая маркировка (см. фото). Его, как правило, используют для изготовления пластиковых бутылок, упаковки, волокон для одежды. В последнем случае его часто называют «полиэстер» на английский манер. А по-русски это полиэфирное волокно — ПЭТ принадлежит к классу полиэфиров, то есть продуктов поликонденсации многоосновной кислоты и многоатомного спирта.

Маркировка ПЭТ обязательно содержит цифру 1 в треугольнике и аббревиатуру PET

Фактически ПЭТ — самый перерабатываемый пластик в мире. Только в Китае каждый год перерабатывают и превращают в волокна 4 млн тонн ПЭТ. Для производства полиэстера и флиса используют 70% всего вторичного европейского ПЭТ, но остается вопрос: что делать с отслужившими свое флисовыми толстовками?

Читателям «Химии и жизни» наверняка знакомо слово «биопластик». Кажется, что раз в нем присутствует «био», то речь идет о чем-то легко утилизируемом и не причиняющем вреда природе. Однако реальность от этого далека.

ПЭТ, как один из самых часто используемых пластиков, давно пытаются получить с меньшим вредом для природы. Существует ПЭТ, изготовленный из возобновляемого растительного сырья. Его химическая формула ничем не отличается от нефтехимического ПЭТ, только компоненты для его синтеза (терефталат и этиленгликоль) синтезируют бактерии, которые можно выращивать на растительных отходах. Это должно снизить зависимость производства пластиков от нефти. Но полученный из природного сырья биопластик так же плохо разлагается, как и ПЭТ из нефти.

А если отказаться от ПЭТ и ему подобных пластиков и заменить их более дружественными к окружающей среде материалами? Есть так называемые биоразлагаемые пластики, и они действительно деградируют в природе быстрее, чем обычные. Но это совсем не значит, что их можно закопать в саду или выбросить в океан: они успешно утилизируются только при определенной температуре, влажности и освещенности. Например — оксоразлагаемые пластики. Это полиэтилен (полипропилен, полистирол) с добавками солей переходных металлов (кобальта, никеля, железа), которые ускоряют их распад на мельчайшие фрагменты под действием ультрафиолетовых лучей и кислорода.

Но даже самые «биоразлагаемые» пластиковые пакеты не так уж легко утилизировать, и это наглядно доказали ученые из Международной группы по исследованию отходов в морях. Исследователи помещали пакеты из различных видов пластика в разные условия: оставили под открытым небом, закопали в землю, погрузили в морскую воду либо просто держали в лаборатории. Это были обычные полиэтилены высокой плотности, три «спасающих планету» материала, которые производители именовали биодеградируемыми либо оксоразлагаемыми, и один компостируемый, то есть такой, который можно утилизировать вместе с пищевыми продуктами. Детальной информации о химическом составе этих «экопластиков» в статье нет. Но в итоге оставленные на солнце пакеты (в том числе полиэтиленовые) распались на фрагменты примерно за девять месяцев. «Оксоразлагаемые» пакеты, помещенные в воду и под землю, даже не утратили прочности; компостируемый пластик в земле сохранился, хотя и начал легко рваться, а в морской воде полностью исчез. Во всех остальных случаях полного разложения не произошло, пакеты оставляли после себя в окружающей среде частицы пластика и химические вещества («Environmental Science and Technology», 2019, 53, 9, 4775–4783).

Замену пластиковой таре пытаются изготавливать из крахмала, целлюлозы и даже белков. Одно время большие надежды возлагали на полилактид — полиэфир молочной кислоты, который производится из возобновляемых ресурсов, таких как кукуруза и сахарный тростник, — казалось бы, должен легко разлагаться. Но скорость его абиотической деградации при температуре окружающей среды оказалось низкой, так что полилактиды необходимо захоронить или разлагать в промышленных компостах с температурой около 60ºС.

Получается, что чудес не бывает: использование пластикового пакета с приставкой «эко» не сильно помогает природе. Значит ли это, что пластик совсем нельзя разрушить биологическим путем? Можно, и не только полилактид, но даже ПЭТ.

Актуальные методы биодеградации ПЭТ

В 2016 году японские ученые опубликовали статью о штамме бактерии Ideonella sakaiensis, способном разрушать ПЭТ до терефталевой кислоты и этиленгликоля (рис. 2). Исследователи из Киотского технологического института и Университета Кейо анализировали образцы осадка, загрязненного ПЭТ, на предприятии по переработке пластиковых бутылок в городе Сакаи префектуры Осака (отсюда видовое название бактерии). Там они и обнаружили сообщество микроорганизмов, которое превращало до 75% ПЭТ в углекислый газ. Главную роль в этом процессе играла I. sakaiensis.

Бактерии I. sakaiensis прикрепляются к поверхности ПЭТ-изделия и производят два фермента — ПЭТазу и МГЭТазу. Первый из них бактерия выделяет во внешнюю среду, чтобы он катализировал расщепление пластика на моно-(2-гидроксиэтил)-терефталевую кислоту (МГЭТ). Клетка поглощает ее, а внутриклеточный фермент МГЭТаза расщепляет до мономеров — этиленгликоля и терефталата. (Источник: «Science», 2016, 351, 6278, 1154–1155)

Разумеется, бактерии делают это с пользой для себя: не просто разрушают пластик, но получают из него энергию, то есть фактически питаются им. Переработать тонкую (до 0,2 миллиметра) пленку при температуре 30°C I. sakaiensis могут за шесть недель. Они же разлагают оставшиеся в почве частицы ПЭТ, потребляя содержащийся в материале углерод.

Конечно, это далеко не единственная в мире бактерия, пожирающая пластик. Формируется новая часть биосферы — «пластисфера», и не только на суше, но и в Мировом океане (см. «Химию и жизнь» 2013, №8). А если есть избыток вещества — найдутся те, кто им питается.

Ферменты бактерий, с помощью которых они разлагают ПЭТ, можно выделить и напрямую использовать для переработки пластика. Реакция идет медленно, и уже есть идеи, как увеличить активность ферментов бактерии с помощью генетической модификации.

Еще один эффективный природный катализатор биодеградации — фермент кутиназа компоста из листьев и веток (leaf-branch compost cutinase, LCC). Его выделили из компостной кучи в 2012 году сотрудники Университета Осаки («Applied and Environmental Microbiology», 2012, 78, 5: 1556–1562). Кутиназы — это широкий класс ферментов, чаще всего встречающихся у растительных патогенов. Эти вещества способны расщеплять кутикулу, то есть защитный слой на поверхности листьев. Кутикула состоит из природных полиэфиров, а значит, с химической точки зрения родственна ПЭТ, что и навело японцев на мысль поискать в компосте инструменты для расщепления этого полимера.

Какому именно обитателю компоста изначально принадлежал фермент, не уточняется: этот ген получили при исследовании метагенома — совокупности геномов всех микроорганизмов в образце. Так или иначе, когда ученые заставили кишечную палочку Escherichia coli производить этот фермент, обнаружилось, что компостная кутиназа разрывает связи между теми же двумя строительными блоками мономеров ПЭТ — терефталатом и этиленгликолем. При этом ей не нужна помощь второго фермента, чтобы расщеплять МГЭТ.

Позднее французские исследователи подтвердили, что кутиназа из компоста превосходит по эффективности другие аналогичные ферменты, включая и тот, что получен из I. sakaiensis. Они решили модифицировать LCC, чтобы увеличить его способность разрушать пластик — сделать фермент термостабильным при 72°C (температура, оптимальная для быстрой деполимеризации). Для термостабильности две аминокислоты в составе молекулы заменили на две молекулы другой аминокислоты — цистеина. Дело в том, что цистеин содержит атом серы, который может образовывать связи с другим таким же атомом. При сближении остатков цистеина, которые находятся в двух разных участках молекулы фермента, возникает дисульфидный мостик, скрепляющий две эти точки между собой.

Тестирование фермента в реакторе показало, что модифицированная кутиназа может расщепить до 90% ПЭТ за десять часов. Из килограмма суспензии пластика в растворе с ферментом получалось около 200 г терефталата.

Затем началось самое интересное: из терефталата, полученного ферментативным расщеплением отходов пластика, синтезировали новый ПЭТ. Из вторичного ПЭТ сделали бутылки, которые по механическим свойствам не уступали обыкновенным бутылкам с полок супермаркетов («Nature», 2020, 580, 216–219).

Относительно утилизации вторичного терефталата есть и другие идеи. Предлагается, например, делать из него так называемые металлоорганические каркасные полимеры — своего рода трехмерную сетку из ионов металла и органических молекул. Это пористые структуры можно использовать как контейнеры для молекул лекарств или материалы для диагностических биочипов, они могут адсорбировать газы или служить катализаторами, и это далеко не полный перечень возможных применений.

Так или иначе, до сих пор все идеи о биодеградации ПЭТ сводились к тому, чтобы заставить его исчезнуть или сделать из одного полимера другой. Можно ли сделать из пластика, точнее — продуктов его разложения, что-то совсем иное?

Свой вариант ответа предложили ученые из Эдинбургского университета. Они смогли синтезировать из терефталевой кислоты ванилин — тот самый, который добавляют в кондитерские изделия.

Ванилин из пустой бутылки

Поскольку спрос на ванилин намного превышает возможность его получения из натуральной ванили, активно развиваются способы его химического синтеза. В 1930-х годах получило широкое распространение производство ванилина из лигнина — основного компонента древесины. Точнее, из лингинсодержащей жидкости, побочного продукта при варке массы для производства бумаги. Кстати, «пахнущие старинным шоколадом книги» на самом деле пахнут ванилью, продуктом разложения лигнина. Однако низкий выход и необходимость применения сильных кислот и щелочей уменьшили его популярность, и сейчас большую часть ванилина получают синтезом из нефтепродуктов.

Ванилин сейчас в основном получают из нефтехимического сырья. На рисунке представлен двухстадийный процесс, разработанный компанией Rhodia. Синтез начинается с гваякола

А если вам не нравится идея ванилина из нефти, вспомните Майю Ямамото из Международного медицинского центра Японии, которая получила ванилин из коровьего навоза. Мимо такого открытия, конечно, не мог пройти комитет Шнобелевской премии: свою награду Ямамото получила в 2007 году.

И вот — новая попытка. Исследователи из Эдинбурга предложили и испытали новый ферментативный процесс с участием генномодифицированных клеток E. coli для синтеза ванилина из терефталевой кислоты («Green Chemistry», 2021, 23, 4665–4672). Как же у них это получилось?

В качестве биокатализатора, способного гидролизовать ПЭТ в терефталевую кислоту, авторы выбрали тот самый термостабильный вариант кутиназы компоста, созданный французскими учеными. Напомним еще раз, что, в отличие от ПЭТазы из I. sakaiensis, модифицированная кутиназа высвобождает терефталевую кислоту напрямую и не требует второго фермента для гидролиза МГЭТ.

Источник полиэтилентерефталата — кусочки использованных пластиковых бутылок в водном растворе — обрабатывали модифицированной кутиназой при 72°C. Реакционную смесь охлаждали до комнатной температуры и добавляли культуру E. coli, которую снабдили генами ферментов, необходимых для всех этапов синтеза ванилина из терефталата. Эти гены заимствовали у других видов бактерий, а также у крысы. Биосинтез проходил в четыре этапа. Путь от мономера пластика до ароматизатора не так уж далек.

Разумеется, как и в любой реакции, помимо основного продукта образуется множество побочных веществ, выход которых нужно минимизировать. Для оптимизации процесса необходимы микроэлементы (ферменты зависимы от наличия в среде цинка и железа) и н-бутанол (увеличивает проницаемость мембран для терефталевой кислоты), pH=5 и температура около 22°C. Исследователи шли путем проб и ошибок, условия подбирали экспериментально.

Но есть и альтернативный способ. Фермент разрушает ПЭТ до терефталевой кислоты, а бактерии превращают ее в ванилин

В итоге создана биотехнология, позволяющая получать ванилин из ПЭТ в водном растворе, с небольшим подогревом в начале, а затем — при температуре окружающей среды. Выход в лабораторных условиях превысил 79%.

Без сомнений, исследователи из Эдинбургского университета проделали замечательную работу, но в чем ее принципиальное отличие от множества других? В добавленной стоимости. Обычно на утилизацию пластика компании тратят деньги, а с помощью этого метода деньги можно получать.

Ванилин используют не только в качестве ароматизатора хлебобулочных и кондитерских изделий, мороженого, шоколада и алкогольных напитков. Он маскирует неприятный вкус лекарств, его добавляют в отдушки и парфюмерную продукцию. Экстракт ванилина считается безопасным средством для отпугивания насекомых. Ванилин также выступает как промежуточное соединение в производстве некоторых агрохимикатов и фармацевтических препаратов. Мировой спрос на ванилин в 2018 году составил около 37 000 тонн, а к концу 2025 года, по оценкам, превысит 59 000 тонн.

Если биотехнологическое производство ванилина из ПЭТ удастся сделать более выгодным, чем альтернативные процессы, или хотя бы таким же выгодным — возможно, через десять лет мы будем печь плюшки с «пластиковым» ванилином. Конечно, это не решит проблему с миллионами тонн отходов, даже если весь ванилин на планете будут делать из ПЭТ. Но важно, что сделан первый шаг. Мусорный пластик аккуратно, в мягких условиях разобран на мономеры, а что еще можно сделать из этих мономеров — здесь слово за химиками.

Остальные статьи на эту тему можно найти в подборке «Пластмассовый мир победил?»