Ученые КазНУ выделяют термофильные бактерии из геотермальных источников для биодеградации пластика

Ежегодно в мире более 280 миллионов тонн одноразовых пластиковых изделий попадает на свалки, а глобальное производство пластика достигает 360 миллионов тонн в год. Неправильная утилизация таких объемов наносит серьезный урон почвам, водным ресурсам, морской флоре и фауне, а микропластик проникает в пищевые цепочки, создавая долгосрочные риски для здоровья человека. В Казахстане ежегодно образуется более 100 000 тонн пластиковых отходов из ПЭТ, из которых перерабатывается менее 4%. Общий объем пластиковых отходов в стране достигает 630-884 тысяч тонн в год.

Традиционные методы утилизации — захоронение и сжигание — экологически вредны и недостаточны. Микробная биодеградация считается одним из наиболее перспективных путей решения проблемы пластикового загрязнения. Однако мировой опыт показывает, что большинство попыток биодеградации при 20-30°C оказались неэффективными. Поэтому использование термофильных бактерий, обитающих при 50-90°C, открывает новые возможности: их ферменты (термозимы) обладают высокой стабильностью при повышенных температурах, а снижение вязкости субстрата увеличивает коэффициенты диффузии.

Научная новизна проекта проявляется по нескольким направлениям. Прежде всего, впервые будут выделены и изучены новые бактериальные штаммы с высокой активностью разложения пластика из геотермальных источников на территории Казахстана и Армении. На основе этих штаммов будет сформирован биосовместимый консорциум термофильных бактерий с различной ферментативной специфичностью, то есть впервые будет создана группа бактерий, не подавляющих, а, напротив, синергетически усиливающих действие друг друга. Для эффективного культивирования данного консорциума будет разработана специальная новая минеральная питательная среда, в которой пластик выступает единственным источником углерода. Кроме того, в ходе исследования впервые будут выявлены конкретные ферменты, связанные с биодеградацией пластика, в термофильных бактериях Казахстана, а также будет проведена их генетическая и протеомная характеристика. Итоговым результатом проекта станет впервые предложенная технологическая схема и регламент для промышленной биодеградации пластика, что заложит основу для перевода полученных научных знаний в практическое применение. 

Для достижения цели проекта будет последовательно выполнен ряд задач. На первом этапе из геотермальных источников с температурой воды 50-90°C, расположенных на территориях, загрязненных пластиком, будут выделены термофильные бактерии, после чего будет проведен скрининг их способности к разложению пластика. Далее с помощью методов геномного, метагеномного и протеомного анализа, с использованием масс-спектрометра Orbitrap Протеомного центра (PROBE) Университета Бергена, будут идентифицированы наиболее перспективные штаммы, продуцирующие ферменты для биодеградации пластика. На третьем этапе на основе штаммов с наивысшей активностью будет сформирован биосовместимый консорциум, для которого будут оптимизированы условия культивирования — температура, pH, аэрация и состав питательной среды — с целью повышения совместного роста и ферментативной активности. На заключительном этапе на основе всех полученных данных будет разработан полноценный технологический регламент биодеградации пластика в лабораторных условиях, включающий детальное описание экспериментальных условий и критериев оценки эффективности биодеградации. 

Исследование включает пять этапов: сбор и предварительная подготовка образцов (почва, вода, термальные источники); скрининг на способность разлагать ПЭТ, ПЭ, ПС, ПВХ, ПП, где пластик служит единственным источником углерода; идентификация штаммов через секвенирование гена 16S рРНК, биоинформатический анализ BLAST/PFAM и протеомные исследования; создание консорциума методом совместного культивирования; технологические испытания в полупромышленном биореакторе EDF-15.1. Статистическая обработка данных проводится в JMP 13.0 с использованием плана Бокса-Бенкена.

Проект реализуется в тесном сотрудничестве с учеными Норвегии (Университет Бергена, профессор Нильс-Каре Биркеланд) и Армении (Ереванский государственный университет). Это партнерство продолжает международный проект DIKU CPEA-LT-2017/10061, в рамках которого ранее был проведен метагеномный анализ термального источника в Алматинской области. Опыт армянских коллег в изучении экстремофильных экосистем и участие норвежских специалистов по протеомике значительно повышают научный уровень проекта.
Разработанная биотехнология может применяться на полигонах твердых бытовых отходов, для очистки водоемов и в производственных цепочках переработки пластика в биоразлагаемые продукты. По итогам проекта будет получен 1 казахстанский патент, разработаны технологическая схема и регламент промышленной биодеградации пластика. Это позволит предприятиям выполнять нормативы экологической ответственности и получать долгосрочную экономическую выгоду.

В ходе реализации проекта будет получен ряд конкретных измеримых научных результатов. В частности, результаты исследования будут опубликованы в виде не менее двух статей в международных рецензируемых журналах, входящих в первый или второй квартиль по импакт-фактору базы Web of Science, либо имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 65, причем одна из статей обязательно должна относиться к мультидисциплинарной категории. Помимо этого, будет опубликовано еще не менее двух статей в отечественных или зарубежных рецензируемых изданиях, рекомендованных Комитетом по обеспечению качества в сфере образования и науки (КОКНВО) Республики Казахстан. В рамках проекта предусматривается также развитие кадрового потенциала — будет подготовлен не менее чем один доктор философии (PhD), защита диссертации которого состоится не позднее двух лет после завершения проекта. С целью обеспечения практического применения научных результатов будет получен один патент в казахстанском патентном бюро. Наконец, на основе всех накопленных в ходе исследования экспериментальных данных и знаний будет разработана полноценная технологическая схема и регламент для промышленной биодеградации пластика, готовые к практическому внедрению на предприятиях. 

Рассчитанный на 36 месяцев (2025-2027 гг.) проект станет одним из первых системных исследований биодеградации пластика в Казахстане, формируя новые знания на стыке микробиологии, биохимии, биотехнологии и экологии. Проект реализуется учеными Лаборатории прикладной микробиологии КазНУ имени аль-Фараби, а международное сотрудничество с Норвегией и Арменией выводит его научный потенциал на глобальный уровень.