Как микроорганизмы перерабатывают отходы

Что такое бактерии

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:

сферические (кокки),
стержневые (бациллы),
спиральные (спириллы),
запятые (вибрионы),
штопорные (спирохеты).

Они могут существовать как отдельные ячейки, так и парами, цепочками или кластерами.

3 невероятных факта о бактериях

Мы больше бактерии, чем люди. В человеческом организме примерно в 10 раз больше бактериальных клеток, чем клеток людей. Многие из них находятся в пищеварительной системе.

Бактерии — это клоны друг друга. Они размножаются путем бинарного деления. Из одной клетки получаются две одинаковые дочерние клетки с идентичными ДНК. При правильной температуре и наличии пищи некоторые бактерии, например кишечная палочка, могут делиться каждые 20 минут. То есть всего за 7 часов одна бактерия может произвести 2 млн 097 тыс. 152 бактерии, а еще через час бактерий станет в 8 раз больше. Вот почему, когда болезнетворные микробы проникают в наш организм, заболеть можно быстро.

В бактериях можно хранить информацию. Ее кодируют в виде искусственной ДНК, которую помещают в геном размножающихся бактерий, а затем ее можно извлечь. Так ученые могут сохранить необходимые данные в случае ядерной катастрофы, поскольку есть организмы, которые хорошо выживают в экстремальных условиях. Бактерия Deinococcus radiodurans способна выдержать высокие температуры, высыхание, ультрафиолетовое излучение и дозы ионизирующего излучения, в 1000 раз превышающие смертельные для человека.

Тема бактерий огромна, их можно изучать в любой сфере деятельности человека, но в этот раз разберемся с их местом в технологическом и экологическом прогрессе.

Бактерии против органического мусора

Юрий Николаев, доктор биологических наук, заведующий лабораторией выживаемости микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН:

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.

Современные очистные сооружения (при разумной организации процесса) могут сами себя обеспечить энергией для очистки стоков, если из отходов будут получать биотопливо.

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.

Владимир Миронов, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории микробиологии антропогенных местообитаний ФИЦ Биотехнологии РАН, и Анна Вантеева, младший научный сотрудник научного центра мирового уровня «Агротехнологии будущего» ФИЦ Биотехнологии РАН:

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.

Процессы биоразложения органических веществ, которые в природе идут долго, от нескольких месяцев до нескольких лет, можно ускорить.

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.

Новый комплекс по переработке отходов в Подмосковье. Источник

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.

Бактерии против пластика

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 2018 году ученые из Великобритании и США модифицировали бактерии так, чтобы они могли разрушить пластик в течение нескольких дней.

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.

Бактерии против отходов металлургии

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.

Бактерии против разливов нефти

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.

Существуют бактерии, которые могут очищать воду от разливов нефти, потребляя углеводороды.

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.

Бактерии против отходов электроники

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.

Микроорганизмы могут расщепить минералы, вкрапленные в золото, с помощью цианида натрия, который растворяет обнаженный драгоценный металл. Далее металл можно выделить и очистить.

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».

Бактериальная экология будущего: как ученые тренируют бактерии перерабатывать пластик, нефть и старую электронику