Блок полистирола до кормления (A), блок полистирола после 30 дней кормления и потребления полистирола (PS), выделенный образовавшимися отверстиями и туннелями (B), мучные черви, питающиеся рационом на основе полистирола и отрубей (C), мучные черви, питающиеся рационом только на основе полистирола (D).
Биологи из Кении обнаружили новый вид мучных червей, которые могут питаться полистиролом, присоединившись к небольшой группе насекомых, способных разлагать пластик. В его кишечнике обитают особые популяции бактерий, которые вырабатывают ферменты, эффективно разлагающие полистирол. Это открытие может проложить путь к новой устойчивой стратегии переработки отходов, которая будет одновременно экологически безопасной и более доступной.
Утилизация пластиковых отходов стала одной из главных глобальных экологических проблем. Ежегодно в мире производится более 400 миллионов тонн пластика, и ожидается, что к 2060 году это производство утроится. Загрязнение пластиком достигает критического уровня в развивающихся странах из-за растущей зависимости от импорта, низкого уровня повторного использования и отсутствия альтернативных вариантов переработки. Например, Африка является вторым по загрязненности континентом, куда ежемесячно ввозится более 500 контейнеров с пластиковыми материалами. При этом уровень переработки пластиковых отходов составляет всего 14-18 %.
Полистирол, ежегодное мировое производство которого оценивается в 20 миллионов метрических тонн, является одним из наиболее широко используемых пластиков. Он используется для хранения продуктов питания, упаковки оборудования, изоляционных материалов и т. д. Однако его очень трудно разрушить, а существующие методы переработки (химическая и термическая обработка) являются дорогостоящими и не очень экологичными.
Для решения этих проблем недавно были предложены биологические методы переработки. В настоящее время изучается способность некоторых насекомых, таких как мучной жук (Tenebrio molitor), восковая моль (Galleria mellonella) и Zophoba atratus (вид мучного червя), разлагать полистирол. Эти виды имеют специфическую кишечную микробиоту, которая позволяет им расщеплять этот пластик.
Однако до сих пор не было возможности охарактеризовать и идентифицировать кишечные бактерии и грибки мучных червей, способные разлагать полистирол, особенно в Африке. В новом исследовании Международного центра физиологии и экологии насекомых (ICIPE) в Кении описан новый вид мучных червей, микробиота кишечника которых эффективно разлагает полистирол. Исследование дает новое представление о конкретных штаммах, участвующих в этом процессе.
«Изучая этих природных «пожирателей пластика», мы надеемся создать новые инструменты, позволяющие быстрее и эффективнее избавляться от пластиковых отходов», — объясняет Фатия Хамис, соавтор нового исследования, в статье, опубликованной в журнале The Conversation. «Вместо того чтобы массово уничтожать этих насекомых на свалках (что нецелесообразно), мы можем использовать микробы и ферменты, которые они производят, на заводах, свалках и очистных сооружениях. Это означает, что пластиковые отходы можно перерабатывать таким образом, чтобы их было проще утилизировать в больших масштабах», — предлагает она.
Улучшенная деградация при смешанном питании
Мучной червь, описанный в новом исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, является подвидом рода Alphitobius, чей личиночный период длится от 8 до 10 недель. В основном он встречается в помещениях для домашней птицы, где считается вредителем и потенциальным резервуаром патогенных микроорганизмов для домашней птицы. Исследователи провели эксперимент, длившийся более месяца, чтобы оценить потенциал личинок по разложению полистирола. Для этого их кормили либо пластиком, либо отрубями (богатым питательными веществами кормом, обычно используемым для кормления домашней птицы), либо их комбинацией.
Черви, которых кормили смесью отрубей и полистирола, показали более высокий уровень выживаемости, чем те, которых кормили только полистиролом. Кроме того, они эффективнее расщепляли пластик. Черви, которых кормили смешанным рационом, смогли разрушить около 11,7 % всего полистирола за период тестирования.
Хотя насекомые могут выжить, питаясь исключительно полистиролом как источником энергии, эти результаты говорят о том, что для оптимального разложения пластика им все же необходима богатая питательными веществами пища. «Хотя диета на основе полистирола позволила мучным червям выжить, им не хватало питательных веществ, чтобы эффективно расщеплять полистирол», — объясняет Хамис.
Кишечные бактерии, разлагающие широкий спектр сложных веществ
Секвенирование кишечного микробиома червей показало значительные изменения в зависимости от рациона. В рационе червей, питавшихся полистиролом, было больше протеобактерий и фирмикутов — бактерий, способных адаптироваться к различным условиям окружающей среды и расщеплять широкий спектр сложных веществ. Микробиота кишечника личинок также содержала большее количество бактерий, вырабатывающих ферментные комплексы, способные разлагать синтетические пластики, — Kluyvera, Lactococcus, Citrobacter и Klebsiella.
Обилие этих бактерий позволяет предположить, что они играют важную роль в способности червей расщеплять пластик. Это указывает на способность к адаптации к окружающей среде: вероятно, изначально эти насекомые не были способны разлагать полистирол. Поэтому они адаптируют свою микробиоту в соответствии с питательными веществами, доступными в окружающей среде.
Кроме того, хотя ранее были обнаружены другие насекомые, питающиеся пластиком, открытие нового вида интересно тем, что экологические условия в Африке могут отличаться от условий в других частях мира, не говоря уже о социально-экономическом контексте, который обуславливает необходимость в местных и доступных альтернативах. Команда предполагает, что будущие исследования должны быть направлены на выявление конкретных штаммов и ферментов, участвующих в деградации полистирола и других видов пластика. Также необходимо оценить безопасность метода для широкомасштабного использования.
