Люди часто выбрасывают на свалки очистки, остатки еды или другие органические отходы, не отделяя их от пластиковых тарелок и упаковки. При этом растёт производство упаковки из биоразлагаемого пластика, который не должен лежать на полигонах десятилетиями. Однако будут ли биопластик и остатки пищи эффективно разлагаться вместе? Российские биотехнологи провели 98-дневный эксперимент, чтобы узнать, как перерабатываются остатки пищи в смеси с 10 % биоразлагаемой упаковки из полилактида. Именно такую долю, по оценкам экспертов, будет составлять примесь биопластика в пищевых отходах через 5-6 лет. Результаты работы сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН опубликовали в статье на страницах журнала Bioresource Technology.

Только за 2020 год из-за пандемии, когда люди стали чаще заказывать доставку еды и пользоваться одноразовой посудой, количество выброшенной на свалки пластиковой упаковки для продуктов выросло с 400 до 630 миллионов тонн. Такой мусор смешан с пищевыми остатками, их не получается разделить и направить на переработку. Но сейчас для упаковки всё чаще используются биоразлагаемые полимеры, например, полилактид. И их применение могло бы снизить загрязнение окружающей среды. Учёные ФИЦ Биотехнологии РАН и химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова в пилотном исследовании, которое длилось 98 дней, проверили, как разлагаются отходы с высокой концентрацией полилактида.

«Полилактид — самый популярный биоразлагаемый материал для изготовления упаковки и одноразовой посуды. Он составляет 25 % от мирового производства биопластика. По прогнозам, к 2030 году его массовая доля в смеси пищевых отходов достигнет 8-10 %. Мы проверили, как проходит компостирование отходов с таким содержанием полилактида. Это многообещающий способ переработки биопластика при помощи бактерий и микромицетов в условии самонагревания. Благодаря ему процессы разложения сокращаются до нескольких месяцев, а при обычных условиях они занимают годы», — рассказал ведущий автор статьи Владимир Миронов, доктор технических наук, профессор, руководитель группы микробных процессов конверсии органических отходов ФИЦ Биотехнологии РАН.

Как и другие полимеры, полилактид — это очень крупные цепочки, состоящие из большого количества похожих по строению звеньев-мономеров. Масса молекул полилактида составляет 76 килодальтон (кДа). Первой стадией разложения материалов с таким составом при компостировании становится гидролиз в условиях достаточной влажности и высокой температуры. В результате в полимере разрушаются эфирные связи, и из длинных цепей образуются олигомеры с молекулярной массой до 10 кДа. После этого отходы окисляют микроорганизмы-термофилы, которые предпочитают повышенные температуры, около 50–70 °C, и относительную влажность 40-60 %.

В пилотном исследовании биотехнологи установили, что компостирование высокой концентрации коммерческой упаковки из полилактида в смеси с пищевыми отходами и готовым компостом в качестве инокулята ведёт к двум последовательным эффектам. На первом этапе биопластик выполняя функцию структурного элемента улучшает доступ кислорода термофильным микроорганизмам, что ведёт к их активному росту и высокой температуре саморазогревания. Средняя температура увеличивается до 60 °C, а время её выдержки — на 12 дней. Представители родов Bacillus, Geobacillus, Caldibacillus, Compostibacillus, Novibacillus, Planifilum и Aeribacillus составляли 77 % бактериального сообщества на этом этапе. Гидролитическая деструкция биопластика, катализируемая органическими кислотами и аммиаком, сменяется микробным потреблением олигомеров с низкой молекулярной массой — менее 5,4 кДа — и молочной кислоты широким спектром микроорганизмов.

Второй эффект связан со значительным увеличением биоразнообразия в условиях сохранения высокой температуры, как реакция на появление большого количества доступных элементов питания.

«Наш коллектив первым продемонстрировал, что компостирование отходов с таким высоким содержанием полилактида проходит успешно и не создаёт побочных эффектов для процесса и конечного продукта — органического удобрения. А значит, этот способ остается эффективным для переработки пищевых отходов и упаковки в промышленных масштабах», — подытожил Владимир Миронов.

Исследование выполнено в рамках реализации гранта Российского научного фонда № 23-24-00237.

Источник: ФИЦ Биотехнологии РАН.