Биоразлагаемый пластик можно делать из сахарной свеклы
Красноярские ученые разработали метод получения таких продуктов из отходов сахарной промышленности — патоки сахарной свеклы. Используя патоку как пищу для роста бактерий, синтезирующих полимер, можно добиться конвертации 80% субстрата в целевой продукт. Результаты исследования опубликованы в журнале Bioengineering.
Один из современных экологических трендов — разработка и постепенный переход на новые биоразлагаемые полимерные материалы, которые способны разлагаться в окружающей среде без образования токсичных продуктов. К таким, например, относятся синтезируемые многими видами бактерий полимеры гидроксиалкановых кислот — полигидроксиалканоаты (ПГА). Массовое применение таких материалов ограничено высокой стоимостью и техническими трудностями производственного процесса. Избежать этих проблем можно оптимизируя биотехнологический синтез в первую очередь за счет использования новых продуктивных штаммов бактерий, способных расти на доступных субстратах и синтезировать ПГА различного химического состава.
Группа исследователей из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и СФУ разработала метод синтеза ПГА из патоки сахарной свеклы при помощи природного штамма бактерий Cupriavidus necator. Несмотря на то, что исследователям пришлось дополнительно корректировать химический состав патоки, они достигли 80% выхода полимера от биомассы бактерий. Результаты показывают эффективность синтеза полимеров из отходов сахарной промышленности.
Сахара являются прекрасным субстратом в биотехнологии и возобновляемым ресурсом для производства полимерных продуктов. Исследователи использовали патоку сахарной свеклы в качестве субстрата для роста бактерий, которые синтезируют биоразлагаемый пластик. Синтез полимера осуществляли с помощью недавно описанного штамма бактерий Cupriavidus necator. Он способен накапливать в биомассе полимеры с различным химическим составом и характеристиками. Однако из сахаров эти бактерии способны использовать только фруктозу и глюкозу.
Основным сахаром в патоке является дисахарид сахароза, недоступный клеткам бактерий. Поэтому патоку необходимо дополнительно обрабатывать. Предварительно проводили гидролиз для превращения сахарозы в моносахариды, доступные для бактерий. В результате обработки в составе патоки появляются фруктоза и глюкоза. Однако помимо «нужных» компонентов могут образовываться примеси, которые в больших концентрациях негативно влияют на рост клеток и биосинтез, например, азот и минеральные вещества. Чтобы избежать негативного эффекта, исследователи разбавили полученный субстрат водой и обработали пероксидом водорода. Обработка позволила снизить содержание азота, кальция, железа, кремния и титана без изменения сахаристости. Следующий этап включал в себя подпитку бактериальной культуры глюкозой и соединением, содержащим фосфор. Это позволило улучшить питательную среду для бактерий, увеличить их рост и, соответственно, довести выход полимера до 77–80% от биомассы бактерий.
«Объемы производства неразрушаемых синтетических пластиков, широко используемых во всех сферах человеческой деятельности, постоянно растут. Они вызывают крупномасштабное загрязнение окружающей среды. Изменить ситуацию смогут биоразлагаемые пластики из возобновляемых и доступных ресурсов. К таким в частности относятся отходы сахарной промышленности. Наше исследование направлено на более эффективное использование отходов сахарного производства, таких как тростниковая и свекловичная патока. Это недорогой источник углерода, содержащий помимо сахаров витамины и ряд минеральных элементов. Результаты нашей работы показывают возможность синтеза ценных полимеров из свекольной патоки бактериями Cupriavidus necator. Такие ПГА обладают биоразлагаемостью и высокой биосовместимостью, что выводит их в разряд перспективных материалов 21 века и позволяет рассматривать их в качестве конкурента известным биоразлагаемым пластикам: полилактидам и полигликолидам. Их можно использовать в различных областях от коммунального и сельского хозяйства до фармакологии и биомедицины. При введении специальных субстратов в культуру бактерий, можно синтезировать сополимеры различного состава с улучшенными свойствами», — рассказала старший научный сотрудник Института биофизики ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» кандидат биологических наук Наталья Жила.