Ученые использовали бактерии для синтеза пластика из рыбных отходов

Отходы рыбной промышленности предложили использовать для создания биоразлагаемых экологичных пластмасс ученые Института биофизики СО РАН, 16 июля сообщает пресс-служба Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН.

Являясь доступным и возобновляемым углеродным субстратом, рыбные отходы могут служить питательной средой для бактерий, производящих биоразлагаемые полимеры. Это доказали своим исследованием специалисты КНЦ СО РАН. Проведенное ими исследование предлагает одно из решений остро стоящей перед человечеством проблемы загрязнения пластиком окружающей среды.

Играя важную роль в жизни современного общества, пластмассы нашли свое применение в самых различных отраслях производства: от электротехники и медицины до машиностроения и нефтедобывающей промышленности. Решая множество технических задач, использование пластиков стало, однако, глобальной экологической проблемой. Большинство видов пластика, являющихся продуктом нефтехимии, разлагаются в природных условиях сотни лет, что приводит к их скапливанию в природе, загрязняющему окружающую среду.

Старший научный сотрудник Института биофизики СО РАН кандидат технических наук Евгений Киселев так пояснил важность решаемой исследователями задачи:

«Мировое производство синтетических пластмасс выросло почти до 400 миллионов тонн в год. Ожидается, что к 2050 году эта цифра достигнет одного миллиарда тонн в год. Накопление пластиковых отходов создает глобальную экологическую проблему. Одно из возможных решений связано с их обязательной переработкой. Второй путь решения этой проблемы — постепенный переход к новому поколению разрушаемых полимерных материалов, среди которых особое место занимают полигидроксиалканоаты».

Полигидроксиалканоаты (ПГА) представляют собой биоразлагаемые термопластичные полимеры, которые синтезируют некоторые микроорганизмы с целью запасания энергии и защиты от неблагоприятных условий.

Обладая теми же свойствами, что и обычный пластик, ПГА при этом быстро разлагаются в природных условиях, что делает эти полимеры одним из наиболее перспективных кандидатов на замену синтетических пластиков, производимых из нефтяного сырья.

Сырьем для синтеза полигидроксиалканоатов могут стать побочные продукты различных отраслей промышленности. Так, специалисты КНЦ СО РАН предложили в качестве углеродного субстрата для синтеза ПГА полимеров отходы рыбной промышленности — некондиционный рыбий жир.

Это, во-первых, снизит стоимость полимера, во-вторых, сделает его производство более экологичным за счет использования возобновляемого сырья, которое одновременно решит проблему утилизации большого количества непереработанных рыбных отходов.

«Мы выбрали жиросодержащие рыбные отходы в качестве сырья для синтеза ПГА полимеров, поскольку для рыбоперерабатывающей промышленности очень актуальна проблема их утилизации, — отметил Евгений Киселев. — Во всем мире отходы рыбоперерабатывающей промышленности превышают 20 миллионов тонн в год, и они должны быть переработаны или утилизированы безопасным способом, чтобы предотвратить загрязнение окружающей среды. Жиросодержащие рыбные отходы могут стать эффективными и возобновляемыми субстратами для различных биотехнологических процессов, в том числе для производства полимеров».

Ученые провели исследования трех типов жировых побочных продуктов рыбного производства: отходы свежей балтийской кильки, свежей атлантической скумбрии в консервном производстве и остатки шпротного производства кильки после копчения.

«Мировой улов, используемый для производства консервированных шпрот, составляет примерно 500 тысяч тонн в год. Консервы из шпрот — массовый продукт, выпускаемый во многих странах. На рыбоперерабатывающих предприятиях одной только Калининградской области ежедневно образуется около 10 тонн отходов в виде копчёных голов кильки. Это делает актуальным поиск решений по использованию этих жиросодержащих отходов, в том числе в качестве потенциального сырья для производства целевых биотехнологических продуктов», — объяснил выбор вида отходов ученый.

В эксперименте ученые использовали вышеуказанные рыбные отходы как питательную среду для бактерий Cupriavidus necator — грамотрицательных почвенных бактерий, способных синтезировать полимеры из различных углеродных субстратов.

Все три вида отходов показали свою пригодность для выращивания этой бактериальной культуры, но лучше всего бактерии росли на масле из отходов копченой кильки, а хуже всего — на отходах свежей кильки, что, как считают ученые, связано с особенностями жирнокислотного состава сырья.

Бактериям понадобилось двое суток, чтобы переработать в полимер почти 60% субстрата, а за трое суток эффективность переработки составила 70%. Из отходов свежей кильки и скумбрии был синтезирован гомополимер, Сырье из копченых килек стало основой для создания бактериями более технологичного трехкомпонентного сополимера, состоящего из мономеров 3-гидроксибутирата, а также небольшого количества 3-гидроксивалерата и 3-гидроксигексаноата.

Исследование красноярских ученых доказало возможность использования отходов производства рыбной промышленности в качестве углеродного субстрата для синтеза технологичных биоразлагаемых полимеров — полигидроксиалканоатов.

Исследователи определили важнейшие характеристики созданных полимеров, которые дают возможность использования их в промышленном производстве. Это температурные свойства и степени кристаллизации.

Синтезированные из выбранных отходов образцы показали сходные характеристики: степень кристалличности структуры составляла от 66 до 71%. Температура плавления оказалась пониженной по сравнению с полимерами, синтезированными на сахарных подложках, составив от 158 до 165 °C.

«Возможность использования жиросодержащих рыбных отходов пищевой промышленности для производства пластиков ПГА, является вкладом биотехнологии в решение проблемы загрязнения биосферы и повышение эффективности промышленного производства. Полученные результаты демонстрируют, что исследованные жиросодержащие отходы, полученные из остатков кильки и скумбрии, перспективны в качестве доступных и возобновляемых углеродных субстратов для биосинтеза биоразлагаемого пластика», — подвел итог Киселев.

Результаты исследования были представлены в серии статей, последняя из которых «Свойства разлагаемых полигидроксиалканоатов, синтезированных из новых отходов рыбьего жира (WFO)», опубликована в журнале Molecular Sciences.