Инженерный дизайн и микробные инновации предлагают новые решения для пластиковых отходов

Исследователи в области химической инженерии из Университета Ватерлоо объединились для решения насущной экологической проблемы, используя синтетическую биологию для превращения пластиковых отходов в ценные ресурсы. Междисциплинарная группа работает над обзором и определением стратегий, использующих синтетическую биологию, микробную инженерию и инженерный дизайн для деградации и апсайклинга пластиковых отходов.

«Мы выходим за пределы своих узких областей, чтобы продвигать устойчивое развитие», — говорит доктор Марк Окойн, профессор кафедры химической инженерии. Их обзор проблемы опубликован в Canadian Journal of Microbiology.

Масштаб задачи

По данным Программы ООН по окружающей среде, от 19 до 23 миллионов тонн пластиковых отходов ежегодно попадают в экосистемы. Эти пластики разлагаются сотни лет, превращаясь в нано- и микропластики.

Перспективное решение — создание циркулярной экономики, где пластик в конце срока службы используется для производства новых ценных продуктов. Биотехнологические решения могут быть рентабельными для апсайклинга пластиков, а использование синтетической биологии предлагает более щадящий путь по сравнению с традиционной переработкой, требующей агрессивных химикатов и высоких температур.

Более экологичный путь переработки

Доктор Кристиан Эйлер, профессор химической инженерии и руководитель Центра инновационной переработки и циркулярной экономики (CIRCLE), разрабатывает новые микробные пути для валоризации пластиковых отходов.

В исследовании, опубликованном в PLOS Computational Biology, его группа изучала, могут ли сырьевые материалы, полученные из пластиковых отходов, обеспечить энергию для преобразования диоксида углерода (CO₂).

Группа проанализировала, как некоторые организмы одновременно метаболизируют и CO₂, и пластиковые отходы — стратегия, называемая миксотрофией. Этот подход может позволить микроорганизмам обрабатывать несколько источников углерода одновременно.

Исследование показало, что несколько источников углерода из отходов — особенно из пластика — могут поддерживать микробное превращение CO₂ в ценные продукты, решая две экологические проблемы одновременно.

Результаты подчеркивают, что разработка новых методов разложения пластиков у источника, например, на очистных сооружениях, имеет решающее значение.

Для решения этой задачи Окойн, профессор математики Брайан Инголлс и бывший аспирант Аарон Ип разработали процесс, разлагающий пластик полиэтилентерефталат (PET) с помощью природного фермента. Их цель — распространить фермент или генетическую информацию о нём среди популяции организмов в муниципальных сточных водах.

Профессор Илан Лю использует другой подход, эволюционируя микробов, чтобы они «ели» пластик как единственный источник пищи. Её группа занимается инженерией синтетических симбиотических бактериальных консорциумов для биоконверсии пластиковых отходов.

Создание циркулярной экономики пластиков

Профессор Элизабет Принс подходит к проблеме с другой стороны, изучая, как пластики проектируются изначально.

Она разработала метод создания перерабатываемых термореактивных полимеров и резин с использованием существующей производственной инфраструктуры, требующий лишь незначительных изменений в рецептуре. Эта стратегия может сделать такие в настоящее время не перерабатываемые материалы, как автомобильные шины, эпоксидные покрытия и резиновые ленты, частью устойчивой циркулярной системы.

«Когда мы объединяем наш разный опыт, мы создаём по-настоящему совместное сообщество. Мы не просто работаем в своих сферах — мы вместе создаём что-то новое», — говорит Эйлер.