Исследование деструкции полимеров на территории РФ

Увеличение в последние годы в России штрафов и снижение порога допустимых сбросов химических соединений в открытые водоемы и атмосферу привели к более благоприятному развитию микро- и макрофлоры, а растущая химизация сельского хозяйства и развитие бытовой химии при повышении летних температур – к изменению видового состава организмов на новые, более агрессивные виды по отношению к химическим продуктам и материалам [1].

Наибольшее количество сточных вод очищается с использованием биологических методов на предприятиях химической и нефтехимической промышленности. На этих предприятиях на биологическую очистку стоков (БОС) подается агрессивная по отношению к бактериям, химически загрязненная вода, содержащая, например, диоксины, фенол, аммонийные соли, основания и т. п. В процессе естественного отбора микрофлора БОС постепенно адаптируется и начинает переваривать эти ядовитые для обычных организмов вещества. По мере роста объема илового осадка БОС и его утилизации данные активные штаммы микрофлоры попадают в окружающую среду и представляют собой наибольшую опасность для технических изделий с точки зрения биодеструкции лакокрасочных покрытий, пластиков и биокоррозии металлических материалов [2, 3].

При использовании «экологически чистого» способа биологической очистки сточных вод подвергается селекции большое количество штаммов, использующих в качестве источника углеводородов сополимеры этилена и пропилена на очистных сооружениях этиленовых производств и тяжелые углеводороды (основы герметиков, смазочных масел и пр.) на предприятиях нефтепереработки. В сточных водах фармакологических и химических предприятий эволюционируют бактерии, которые индифферентны к антибиотикам и ядам.

Научно-техническая революция и прогресс в области создания новой техники способствуют разработке новых материалов не на основе металлов, а на основе композитов из органических смол [4]. Однако использование полимерных изделий с биоразлагаемыми добавками и БОС приводят к селекции бактерий [5], специализирующихся на биодеградации полимеров. В результате жизненный цикл полимерных и композиционных материалов без дополнительных средств защиты с каждым годом снижается [6].

Аналогичная картина наблюдается и в случае использования металлов. Так, скорость коррозии углеродистой стали в слабоминерализованной воде должна составлять 0,05–0,10 мм/год, но в присутствии бактерий она достигает 0,90–1,10 мм/год [7]. Наличие бактерий приводит к проявлению наиболее опасного вида коррозионного разрушения металла – локальной коррозии.

Постепенное улучшение экологической обстановки и увеличение средней температуры воздуха дают шанс большинству организмов увеличить свою популяцию. От того, какие организмы выиграют в конкурентной борьбе и размножатся в большем и даже подавляющем количестве, зависит, в какой степени биологический фактор приведет к деградации и деструкции сложных технических систем, созданных человеком. Без учета микробиологических факторов в настоящее время нельзя с уверенностью прогнозировать сроки безопасной эксплуатации зданий и сооружений, городской и промышленной инфраструктуры, а также отдельных технических изделий.

В присутствии бентоса речь идет о сохранности крупных производственных объектов и сложных технических систем уже в масштабах страны, для чего требуется обеспечение нормами промышленной безопасности, учитывающими микробиологическое заражение.

Анализ нормативной документации показал, что основная часть российских национальных стандартов была создана в 1950–1980-х гг. Основные ГОСТы «Единой системы защиты от коррозии, старения и биоповреждения» не пересматривались уже более 20 лет. В то же время часть существующих нормативов невозможно осуществить по экономическим и политическим соображениям – как, например, ГОСТ 15150–69, который регламентирует определение климатического исполнения изделий на климатических площадках в определенных ГОСТ регионах. Но в настоящее время данные площадки отсутствуют, а некоторые регионы превратились в отдельные, зачастую закрытые для России государства [6].

Другая часть стандартов не учитывает изменения климатических факторов и экологической ситуации в стране – как, например, ГОСТ 9.039–81, который регламентирует определение коррозионной активности атмосферы методами индикации хлоридов и диоксида серы в воздухе. Однако на современном этапе развития промышленности и общества, при действии жестких экологических норм и серьезного снижения выбросов топочных и кислых газов в атмосферу, снижения концентрации вредных веществ в сточных водах, ужесточения норм по распространению загрязнений от захоронений отходов в земле на первый план выходит биокоррозия как основной фактор деградации материалов. Параллельно этому процессу идет процесс биодеградации неметаллических материалов. Данные процессы в упомянутом ГОСТ не регламентируются.

В этих условиях большое количество ученых занимается исследованием биологической деструкции материалов с применением вновь открытых штаммов [8–24]. Авторами приведенных статей дискутируются вопросы создания и модификации ферментативного механизма открытых штаммов бактерий. Однако никто не задумывается о последствиях повсеместного распространения подобного вида биодеструкторов, способных в течение короткого промежутка времени привести в негодность не только изделия из пластика в виде буев, перегородок, корпусов судов, но и привести к разрушению лакокрасочных покрытий, защищающих металлические конструкции.

Исследования биодеструкции полиэфирных материалов

Большое количество публикаций посвящено проблеме ремедиации отходов пластиковых изделий на основе полиэфиров – ПЭТФ, и других полимерных материалов. Накопление отходов пластических масс, особенно в Мировом океане, вызывает все большую экологическую озабоченность [25, 26]. Одним из основных компонентов пластиковых отходов является полиэтилентерефталат (ПЭТФ) – полимер, широко используемый для многих областей применения, включая текстильную и пищевую упаковки. Этот полимер обладает высокой устойчивостью к экологической биодеградации и таким образом вызывает множество разнообразных экологических проблем, связанных в том числе с его накоплением, сорбцией и концентрированием органических загрязнителей, что приводит к опасным последствиям для морской флоры и фауны и распространению потенциально инвазивных видов микроорганизмов в новых условиях окружающей среды.

В настоящее время широко используются только три метода удаления отходов пластмасс: захоронение, сжигание и рециркуляция (переработка). Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки. Свалки и сжигание отходов приводят к выбросу опасных вторичных загрязнителей в окружающую среду, а полигоны для мусора имеют дополнительный недостаток – необходимость отведения больших участков земельного пространства. Рециркуляция полимеров решает экологические проблемы свалок и сжигания отходов, однако этот процесс является малоэффективным, а ограничивающим фактором является стоимость сбора и переработки отходов, а также снижение качества получаемого вторичного полимера.

Биодеградация является привлекательным вариантом для экологически чистого и эффективного удаления отходов пластмасс. В настоящее время еще не разработаны технологии, позволяющие реально утилизировать ПЭТФ путем биодеградации в коммерческих масштабах; однако в области биодеградации проводится большое количество исследований, и, учитывая огромный метаболический потенциал микроорганизмов, ожидается, что разработка рентабельных и жизнеспособных процессов биодеградации – это просто вопрос времени.

Многими исследователями [27] рассматриваются перспективы биокаталитической переработки пластмассовых отходов. Обнаружено, что несколько окислительно-восстановительных ферментов бактерий способствуют деструкции полиэтилена (ПЭ). Прежде чем можно будет предусмотреть применение ферментов для рециркуляции отходов ПЭ, необходимо будет определить подходящие ферменты и лучше понять механизм деградации. Вместо этого цельноклеточный катализ с использованием специализированных микроорганизмов или даже микробных сообществ уже в настоящее время может обеспечить альтернативную стратегию биотехнологической переработки ПЭ.

Синтетические полиэфиры, такие как ПЭТФ, а также полистирол и полиуретан, оказались восприимчивы к ферментационной деградации с помощью гидролаз, выделяемых ферментами микроорганизмов. Ряд грибковых и бактериальных энзимов способны к усвоению пленок и волокон ПЭТФ. Стратегия направленной эволюции может привести к культивированию мутации в гидролазах полистирола [28]. Для улучшенных биокатализаторов в настоящее время используются высокопроизводительные методы скрининга, специально разработанные для мониторинга активности полиэфиргидролазы, которые позволяют быстро идентифицировать их ферменты. Поэтому деятельность исследователей нацелена на открытие новых гидролаз полистирола, а создание высокоактивных вариантов остается ключевой проблемой для развития жизнеспособного процесса биокаталитической переработки потребительских отходов ПЭТФ.

Согласно работе [29], ПЭТФ – синтетический полиэфирный материал, изготовленный из мономеров диэтилтерефталата (ДET), широко используется в пластмассовых изделиях для повседневной жизни и вызывает серьезное загрязнение глобальной окружающей среды. Микробный метаболизм является основным путем деградации, ответственным за деградацию ДET в естественной почве; однако механизм деградации микробного ДET остается неясным. Вновь выделенный штамм WL-3, идентифицированный как принадлежащий к роду Delftia, оказался способным деградировать 5 г 94%-ного ДET и использовать его в качестве единственного источника углерода для роста в течение 7 дней. Кроме того, штамм WL-3 способен к стабильной деградации ДET в широком диапазоне значений рН (6,0–9,0) и температуры (20–42°C) соответственно. Кроме того, на основе выявленных промежуточных продуктов деградации предложен биохимический путь деградации ДET штаммом WL-3. Мономер ДET сначала превращается в терефталевую кислоту при гидролизе двух эфирных связей, которые впоследствии преобразуются в протокатеховую кислоту. Наблюдения с использованием сканирующего микроскопа выявили трещины на поверхности ПЭТФ-пленки после двухмесячного заражения штаммом WL-3, что свидетельствует о потенциале штамма для биоремедиации загрязненных ПЭТФ сред.

Ферментативный механизм разрушения ПЭТФ

Авторами работы [30] путем скрининга природных микробных сообществ, подверженных воздействию ПЭТФ в окружающей среде, выделена новая бактерия штамма Ideonella sakaiensis 201-F6, которая способна использовать ПЭТФ в качестве основного источника энергии и углерода. При выращивании на ПЭТФ этот штамм продуцирует два фермента, способных гидролизовать ПЭТФ и промежуточное звено реакции – моно(2-гидроксиэтил)терефталевую кислоту. Оба энзима необходимы для последовательного преобразования ПЭТФ в терефталевую кислоту и этиленгликоль.

Исследователями в работах [31–33] установлено, что деградация и последующее высвобождение гексабромциклододекана (ГБЦДД) из полистирола в естественной среде происходит в результате выщелачивания при контакте с водой (разбавление), фото- и термической деградации, биодеградации и физических факторов (например, волнового воздействия). В поверхностных водах все эти факторы действуют одновременно и стимулируют старение. В аналогичных условиях солености, температуры и темноты в натурных и лабораторных условиях выщелачивание больше в натурных условиях (37%), чем в лабораторных (23%). Солнечный свет и дальнейшая фрагментация могут увеличить выщелачивание ГБЦДД в воде на 12%. Кроме этого, воздействие интенсивного ультрафиолетового излучения, сильное биообрастание, дальнейшая фрагментация, сильное встряхивание и обмен большим объемом воды привели к большему выщелачиванию ГБЦДД в натурных условиях по сравнению с лабораторией, где использовался ограниченный объем воды.

Два недавно открытых бактериальных фермента, с помощью которых специально производят деградацию ПЭТФ, представляют собой перспективное решение для утилизации пластиков. Во-первых, выделяемый бактерией Ideonella sakaiensis фермент PETase – специализированный фермент g-гидролазы, превращает ПЭТФ в моно(2-гидроксиэтил)терефталат (MГET). Второй ключевой фермент MГETаза гидролизует MГET до терефталата и этиленгликоля. В работе [33] сообщается о кристаллических структурах активной безлигандной MГETазы, которая напоминает эстеразы ферулоила. Исследование мутагенеза и структурно-направленного изменения субстрата будет перспективным направлением для дальнейшего изучения ферментативной деградации пластиков.

Особенности обрастания и деструкции полимеров

в водах различной природы

При выполнении работ по гранту РФФИ «Физическое и химическое воздействие организмов биодеструкторов на полиэфирные материалы в различных климатических зонах» в рамках конкурса «Воздействие организмов-деструкторов на материалы (металлы и сплавы, полимеры, полимерно-композиционные материалы, керамика, бетоны, лакокрасочные покрытия, резины, герметики) и топлива, изучение процессов биологической коррозии и деструкции в различных климатических зонах» проведена экспозиция образцов стали, полистирола и ПЭТФ в воде различной минерализации и в различных климатических зонах. На основании анализа прочностных свойств образцов и отложений на поверхности оценена стадийность процесса биообрастания и биодеструкции на начальном этапе – до 60 сут экспонирования.

1. Установлено, что по мере обрастания поверхности происходит образование отложений механических примесей и водорослей, затем постепенное зарастание поверхности бактериями и отложениями солей кальция (как в морской, так и в оборотной воде) до практически полного заполнения поверхности. На первом этапе под действием водорослей происходит окисление и упрочнение поверхности образцов кислородом, выделяемым в процессе фотосинтеза. На втором этапе (после 30–40 сут экспонирования) происходит насыщение образцов полимера влагой и деструкция поверхности продуктами метаболизма бактерий, что приводит к падению как прочности, так и пластичности образцов полистирола и ПЭТФ.

2. Одной из наиболее коррозионноопасных групп организмов по отношению к металлам в Черном море являются морские губки класса Calcispongiae. Продукты их жизнедеятельности приводят к подкислению приповерхностных слоев воды выдыхаемой губками углекислотой, что вызывает коррозию и образование карбонатных отложений.

3. С помощью модуля программы Local Mapper проведен анализ ферментов деградации полициклических ароматических углеводородов, присутствующих в исследуемых природных сообществах. В результате этого анализа среди этих ферментов обнаружены два фермента, осуществляющие катаболизирование терефталевой кислоты до протокатеховой кислоты, причем эти ферменты наиболее представлены в группе бактерий, присутствующих в охлаждающей воде нефтехимического предприятия. Эти данные подтверждают возможность осуществления бактериями этой группы катаболизации, по крайней мере промежуточного метаболита деградации ПЭТФ до терефталевой кислоты. Этот же модуль программы iVicodak позволяет оценить вклад различных таксонов бактерий в осуществление анализируемого направления метаболизма. По результатам анализа этот вклад различался для исследуемых групп сообществ. В биологических пробах, взятых с образцов материалов на нефтехимическом предприятии, наиболее активны представители родов гаммапротеобактерий (Pseudomonas и Aeromonas), а также родов бетапротеобактерий (Acidovorax и Hydrogenophaga); в пробах, взятых с образцов в черноморской воде, – родов альфапротеобактерий (Erythrobacter, Marivita и Altererythrobacter); в пробах, взятых с образцов в речной воде, – род бетапротеобактерий Aquabacterium. Поскольку именно для представителей рода Pseudomonas, согласно научно-техническим литературным данным, показана способность к деградации ПЭТФ, именно они, а возможно и рода Acidovorax, могут быть бактериями-деструкторами ПЭТФ в исследуемых сообществах.

Опыт исследования биозаражений различных промышленных объектов и разработка методов защиты оборудования от биодеструкции и биокоррозии представлены в работах [34–38]. Размножение и распространение таких организмов, как обнаруженные в воде нефтехимического предприятия представители родов Pseudomonas и Acidovorax, приведут к разрушению на окружающей территории не только пластикового мусора, но и изделий длительной эксплуатации – трубопроводов, зданий и сооружений, при изготовлении которых используются полимерные материалы.

Для обеспечения работоспособности технических изделий, объектов инфраструктуры и сооружений необходимо учитывать возможность биологического заражения штаммами-биодеструкторами, ранее не встречавшимися в данной местности. Исследование биоценозов в различных регионах, производствах, водоемах и других локальных объектах, отличающихся условиями окружающей среды, позволит в значительной мере предотвратить преждевременное разрушение объектов инфраструктуры под действием биологической деградации и деструкции материалов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по Договору №18-29-05033/18 на выполнение гранта «Физическое и химическое воздействие организмов биодеструкторов на полиэфирные материалыв различных климатических зонах».