ҚазҰУ ғалымдары геотермалды бұлақтардан пластикті ыдырататын термофильді бактерияларды бөліп алуда

Әлемде жыл сайын 280 миллионнан астам тонна бір реттік пластик өнімдер қоқыс полигондарына түседі, ал жаһандық пластик өндірісі жылына 360 миллион тоннаға жетеді. Осы көлемнің дұрыс кәдеге жаратылмауы топырақ, су ресурстары, теңіз флорасы мен фаунасын зақымдап, микропластик түрінде тағамдық тізбекке еніп, адам денсаулығына ұзақ мерзімді қауіп төндіреді. Қазақстанда жыл сайын 100 000 тоннадан астам ПЭТ негізіндегі пластик қалдығы түзіледі, оның тек 4%-дан азы қайта өңделеді. Жалпы пластик қалдықтарының көлемі жылына 630-884 мың тоннаға жетеді.

 Дәстүрлі кәдеге жарату әдістері — көму мен өртеу — экологиялық тұрғыдан зиянды әрі жеткіліксіз. Микробтық биодеградация — пластик ластануымен күресудің перспективалы бағыттарының бірі. Дегенмен әлемдік тәжірибе көрсеткендей, 20-30°C температурада жүргізілген көптеген зерттеулер тиімсіз болып шықты. Сондықтан 50-90°C аралығында тіршілік ететін термофильді бактерияларды қолдану жаңа мүмкіндіктер ашады: олардың ферменттері (термозимдер) жоғары температурада тұрақты болады, субстраттың тұтқырлығы төмендейді және диффузия коэффициенті артады. 

Жобаның ғылыми жаңалығы бірнеше бағытта көрініс табады. Ең алдымен, Қазақстан мен Армения аумақтарындағы геотермалды бұлақтардан пластикті жоғары белсенділікпен ыдырата алатын жаңа бактериялық штамдар алғаш рет бөлініп алынып, зерттеледі. Бұл штамдар негізінде әртүрлі ферментативті ерекшелігі бар термофильді бактериялардың биоүйлесімді консорциумы қалыптастырылады, яғни бір-біріне қарсы әсер етпей, керісінше синергетикалық түрде жұмыс істейтін бактериялар тобы алғаш рет құрылады. Осы консорциумды тиімді өсіру мақсатында арнайы жаңа минералды қоректік орта әзірленеді, онда пластик жалғыз көміртек көзі ретінде қызмет етеді. Сонымен қатар, зерттеу барысында қазақстандық термофильді бактерияларда пластикті биодеградациялауға қатысты нақты ферменттер алғаш рет анықталып, олардың генетикалық және протеомдық сипаттамасы жасалады. Жобаның қорытынды нәтижесі ретінде пластикті өнеркәсіптік ауқымда биодеградациялауға арналған технологиялық схема мен регламент те алғаш рет ұсынылады, бұл алынған ғылыми білімді практикалық қолданысқа көшірудің негізін қалайды. 

Жобаның мақсатына жету үшін бірнеше кезектес міндет орындалады. Бірінші кезекте пластикпен ластанған аумақтарда орналасқан, температурасы 50-90°C аралығындағы геотермалды бұлақтардан термофильді бактериялар бөлініп алынып, олардың пластикті ыдырату қабілетіне скрининг жүргізіледі. Одан кейін пластикті ыдырататын ферменттерді өндіретін ең перспективалы штамдар геномдық, метагеномдық және протеомдық талдау әдістерімен анықталады, бұл үшін Берген университетінің Протеомдық орталығындағы (PROBE) Orbitrap масс-спектрометрі қолданылады. Үшінші кезеңде ең жоғары белсенділік көрсеткен штамдар негізінде биоүйлесімді консорциум құрылып, олардың бірлескен өсуі мен ферментативті белсенділігін арттыру үшін культивирлеу жағдайлары — температура, pH, аэрация және қоректік ортаның құрамы — оңтайландырылады. Соңғы кезеңде алынған барлық деректер негізінде зертханалық жағдайда пластикті биодеградациялаудың толық технологиялық регламенті әзірленеді, онда эксперименттік шарттар мен биодеградация тиімділігін бағалау критерийлері егжей-тегжейлі сипатталады. 

Зерттеу бес кезеңнен тұрады: үлгі жинау мен алдын ала дайындау (топырақ, су, термалды бұлақ материалдары); ПЭТ, ПЭ, ПС, ПВХ, ПП пластиктерін жалғыз көміртек көзі ретінде қолданып скрининг жүргізу; 16S рРНК секвенирлеу, BLAST/PFAM биоинформатикалық талдауы және протеомдық зерттеу арқылы штамдарды сәйкестендіру; штамдарды бірлесіп өсіру арқылы консорциум құру; EDF-15.1 жартылай өнеркәсіптік биореакторында технологиялық сынақтар өткізу. Деректерді статистикалық өңдеу JMP 13.0 бағдарламасында Бокс-Бенкен жоспары негізінде жүргізіледі.

Жоба Норвегия (Берген университеті, профессор Нільс-Каре Біркеланд) және Армения (Ереван мемлекеттік университеті) ғалымдарымен тығыз ынтымақтастықта жүзеге асырылады. Бұл серіктестік DIKU CPEA-LT-2017/10061 халықаралық жобасының жалғасы болып табылады, оның аясында Алматы облысындағы термалды бұлақтың метагеномдық талдауы бұрын жүргізілген болатын. Армения ғалымдарының экстремофильді экожүйелердегі тәжірибесі және норвегиялық протеомика мамандарының қосылуы жобаның ғылыми деңгейін айтарлықтай арттырады.

Әзірленетін биотехнология қатты тұрмыстық қалдықтар полигондарында, су қоймаларын тазартуда және пластикті биоыдырайтын өнімдерге қайта өңдеу тізбектерінде қолданылуы мүмкін. Жоба нәтижесінде 1 қазақстандық патент алынып, өнеркәсіптік биодеградацияға арналған технологиялық схема мен регламент дайындалады. Бұл кәсіпорындарға экологиялық жауапкершілік нормаларын орындауға және ұзақ мерзімді экономикалық тиімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді.

Жобаны іске асыру барысында бірқатар нақты өлшенетін ғылыми нәтижелер алынады. Атап айтқанда, зерттеу нәтижелері Web of Science дерекқорының импакт-факторы бойынша бірінші немесе екінші квартиліне кіретін, немесе Scopus дерекқорындағы CiteScore процентилі кемінде 65 болатын халықаралық рецензияланатын журналдарда кемінде екі мақала түрінде жарияланады, олардың біреуі міндетті түрде мультидисциплинарлық санатқа жатуы тиіс. Бұған қоса, Қазақстан Республикасының Білім және ғылым саласындағы сапаны қамтамасыз ету комитеті (БҒСБК) ұсынған отандық немесе шетелдік рецензияланатын басылымдарда тағы кемінде екі мақала жарық көреді. Жоба аясында кадрлық әлеуетті дамыту да көзделеді — жобаны жүзеге асыру барысында кемінде бір философия докторы (PhD) дайындалып, оның диссертациясын қорғауы жоба аяқталғаннан кейін екі жылдан кешіктірілмей өтеді. Ғылыми нәтижелердің практикалық қолданысқа енуін қамтамасыз ету мақсатында қазақстандық патенттік бюрода бір патент алынады. Соңында, зерттеу барысында жинақталған барлық эксперименттік деректер мен білім негізінде пластикті өнеркәсіптік ауқымда биодеградациялауға арналған толыққанды технологиялық схема мен регламент әзірленіп, олар кәсіпорындарда практикалық қолдануға дайын күйде ұсынылады. 

36 айға (2025-2027 жж.) жоспарланған бұл жоба Қазақстанда пластик биодеградациясы саласындағы алғашқы жүйелі зерттеулердің бірі болып, микробиология, биохимия, биотехнология және экология салаларының тоғысында жаңа білім қалыптастырады. Жобаны ҚазҰУ имени әл-Фараби Қолданбалы микробиология зертханасының ғалымдары жүзеге асырады, ал Норвегия мен Армениямен халықаралық ынтымақтастық оның ғылыми әлеуетін жаһандық деңгейге көтереді.