«Биоразлагаемый» пластик — это обман? И существует ли сегодня по-настоящему безвредный способ избавляться от упаковки?

Во всем мире большие серьезные институты, в таких муках рожденные человечеством за последние 2000 лет, пока почти бессильны перед проблемой пластикового мусора. Командование держит лицо, но на самом деле глубоко фрустрировано положением дел. И пока генштаб медлит с решениями, рядовым, партизанам и гражданским приходится рассчитывать только на себя. Особенно в России, где проблема пластиковых отходов как минимум моложе и всегда предостаточно других неприятностей. Драма использованного пластика в сознании большинства россиян недостаточно драматична. Государство ставит очень хилые плотины на пути бурного мусорного потока, и он стремительно течет на свалки. Кто-то пытается остановить его, сооружая маленькие запруды. Кто-то тащит из него самое ценное, чтобы заработать. Кто-то взялся менять само его русло. Но пока мусор все равно сильнее.

Одна из главных проблем пластика с точки зрения экологии — его неприлично долгая жизнь. Само собой напрашивается очевидное и, казалось бы, простое решение: создать материал, который сохранит все преимущества традиционных полимеров и, отслужив свой срок, растворится в природе быстро и безопасно, как банановая кожура. Тогда не будет нужна ни дорогая инфраструктура по переработке, ни сложные системы раздельного сбора. Попытки создать такие материалы есть, но насколько они успешны?

Для обычных людей самая вероятная встреча с добродетельным «биоразлагаемым» пластиком — это зеленые мешки для мусора с волшебными буквами «био» на упаковке или биопакет на кассе дорогого супермаркета. Кто-то из нас покупает их и чувствует причастность к спасению планеты, кто-то подозревает маркетологов в обмане и не верит в саморазрушение пакета. Но большинство ничего не знает о «биоразложении» наверняка.

Сначала придется разобраться в терминах. Здесь сплошная путаница. Новые, нетоксичные, безопасные и дружелюбные по отношению к природе полимеры часто ошибочно называют биопластиком — все дело в коварстве многозначной приставки «био». На самом деле этим термином принято называть полимеры, полученные не из природных ископаемых — газа и нефти, а из возобновляемых источников биомассы: растительных жиров, масел, кукурузного крахмала, соломы и древесных опилок. И они совсем не обязательно безвредны для окружающей среды. Поэтому Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) очень не любит слово «биопластик» и предлагает называть материалы из кукурузного крахмала и соломы полимерами на биооснове. Как правило, эти полимеры действительно разлагаются лучше, чем привычный нам пластик, но и здесь важно сделать оговорку: «полимеры на биооснове» не синоним термину «биоразлагаемый пластик». То есть не всякий предмет из биомассы быстро разлагается без посторонней помощи точно так же, как не всякий «биоразлагаемый» предмет сделан из натуральных ингредиентов. Например, биоэтанол сделан из натурального сахарного тростника, но не разлагается. А «оксо-биоразлагаемый пластик» сделан на основе искусственных полимеров полиэтилена или полипропилена, но с добавлением катализатора, который ускоряет разложение. Это две разные характеристики, как «холодное» и «сладкое». Они могут присутствовать одновременно, как в мороженом, но это вовсе не обязательно.

Обыватели вроде меня даже не подозревают о таких сложностях, но, к сожалению, на этом драма полимерной терминологии не заканчивается, а только начинается. Само слово «биоразлагаемый» создает кучу трудностей в интерпретации и без того весьма сложной информации. Именно поэтому я все время осторожно беру его в кавычки. Что именно должно происходить с «биоразлагаемыми» материалами, чтобы мы могли с уверенностью заявить, что покончили с накоплением пластика в природе?

В этом смысле самый яркий и показательный пример — оксоразлагаемые полимеры. Материал, мимикрирующий под добродетельный пластик. Его делают на основе привычных нам полимеров — полиэтилена, полипропилена или полистирола и добавляют какой-нибудь катализатор. Происходит ли в этом случае разложение? Происходит, ведь под действием ультрафиолета, тепла и кислорода катализатор запускает процесс окисления, и материал быстрее распадается на части. Но что это за части? Это микропластик, то есть отходы, которые в своей множественности станут едва ли не вреднее, чем просто мусор. Если вы купите биопакет в супермаркете и спрячете его в шкаф, с большой долей вероятности через пару лет он рассыпется в труху, но точно не станет органичной частью окружающей среды. Это демонстрирует целая серия научных исследований. Именно из оксоразлагаемых полимеров делают большую часть товаров вроде мешков для мусора с этикеткой «био». Любопытно, что товары из оксоразлагаемых полимеров в итоге и превращаются в абсолютные предметы non grata. Потому что если обычный пластик хотя бы можно отправить на переработку, то на оксоразлагаемый просто нет спроса. В 2019 г. Европейский парламент законодательно запретил производство и продажу предметов из оксоразлагаемой пластмассы начиная с 2021 г.

Гораздо больше надежд на подлинное растворение в природе связывают с биоразлагаемыми «полимерами на биооснове». На Западе это быстрорастущая индустрия. Один из самых популярных таких материалов — полилактид (PLA), полимер на основе молочной кислоты, из которого делают упаковку, одноразовую посуду, медицинские товары и многое другое. Стаканчики и трубочки из PLA внешне мало чем отличаются от обычной одноразовой посуды, их уже активно используют торговые сети Walmart и Kmart. По данным компании Inkwood Research, в период до 2028 г. мировой рынок PLA вырастет на 12,2% и достигнет $2,3 млрд. По своим свойствам полилактид похож на полиэтилен и полистирол, но вроде бы должен разлагаться гораздо быстрее. Впрочем, пока мы ничего доподлинно про это не знаем. Среди ученых нет единого мнения по поводу того, что считать приемлемым «биоразложением» для окружающей среды. Достаточно ли превращения полимера в водорастворимое соединение? Или нужна полная минерализация до разложения стаканчика на углекислый газ, воду, азот и другие простые вещества? Такая разница в определениях часто мешает анализировать научные публикации на эту тему — а их десятки тысяч: лаборатории по всему миру стремятся доказать, что именно они наконец-то разобрались, как именно тот или иной новый пластик разлагается в окружающей среде.

На самом деле однозначно достоверных данных о том, как долго такие пластики разлагаются в естественной среде, пока нет. Главная трудность — в дизайне научного эксперимента. Можно найти множество научных статей о том, что тот же полилактид деградирует при конкретной температуре, уровне влажности и кислотности, но искусственно воссоздать реальные условия, в которых окажется стаканчик из PLA, все еще очень трудно (зато ученые могут сказать наверняка, что он не разлагается в морской воде, что, конечно, никак не может нас утешить). Невозможно сделать универсальные расчеты концентрации ферментов и микроорганизмов, значений температуры и уровня кислотности, влажности, а также доступа кислорода и света. Предмет из биоразлагаемого пластика может оказаться и на промышленной компостной площадке, где температура достигает 65 °C, и в Северном Ледовитом океане, отмечают исследователи.

Ко всем мукам научного поиска стоит добавить и то, что о биоразлагаемых пластиках собрано очень мало экотоксикологических данных. Иными словами, мы почти ничего не знаем наверняка о том, как они все-таки влияют на окружающую среду.

Пока существующий биоразлагаемый пластик, к сожалению, не панацея. Многие материалы такого рода сегодня применимы только как точечные решения. Например, полилактид используют в системах доставки лекарств внутри организма, а из полибутиратадипинтерефталата производят тепличную пленку, которая разлагается в компосте. Европейский союз делает попытки зарегулировать эту малопонятную область, а обыватели все еще пребывают в счастливом неведении по поводу «биоразлагаемого пластика». Например, есть исследование, показавшее, что тинейджеры Лос-Анджелеса стали больше мусорить на улицах, убежденные в том, что «биопластик» отправится с газона прямо в небытие. К сожалению, не отправится.

А может, все же волшебная таблетка, а?

Технологический институт Киото, Япония

Они нашли ее в портовой промзоне японского города Сакаи. Именно там, где и рассчитывал профессор Сёсуки Ёсида: в грязном маленьком цехе по переработке пластиковых бутылок. Они взяли 250 проб местной почвы, сточных вод, ила и кусочков мусора и принялись искать. Она пряталась в осадке 46-го образца: бактерия палочковидной формы, которая переработала тонкую пленку полиэтилентерефталата за шесть недель при температуре 30 °C. Они наконец нашли живой организм, который научился разлагать самый популярный вид пластика с невиданной до того скоростью. Бактерия в виде хот-дога размером 0,7 на 1,4 мкм смогла приспособиться к пластиковому кризису лучше всех инженеров Земли: она его просто поедала. «Это нечто совершенно уникальное. Эта бактерия не просто разлагает ПЭТ, но и строит из него собственный организм», — заявил тогда профессор Ёсида.

Немногочисленные попытки найти и изучить живые организмы, которые могут расправляться с пластиком, предпринимались и раньше: например, ученые наблюдали за тем, как нитчатый гриб Fusarium oxysporum рос на минеральной среде с содержанием полиэтилентерефталата. Но найденная бактерия представляла куда больший интерес. Ферменты, с помощью которых она разрушала структуру пластика, могли бы стать основой для уникальной биологической переработки. Они могли совершить настоящую технологическую революцию. Группа профессора Ёсиды назвала свою бактерию Ideonella sakaiensis 201-F6 в честь города, где ее нашли. И сообщила миру о своем открытии в марте 2016 г. на страницах журнала Science. Всемирное научное сообщество тут же ввязалось в гонку по разработке волшебного инструмента по спасению планеты от бутылок из-под кока-колы.

Институт биологических и биомедицинских наук, Портсмутский университет, Великобритания

Где-то посреди зеленых полей Оксфордшира стоит огромный синхротрон Diamond, в котором летают электроны со скоростью, близкой к скорости света, испуская особое излучение: в 10 млрд раз ярче, чем Солнце. Оно помогает во всех подробностях разглядеть мельчайшие детали изучаемых объектов. Здесь, под гудение магнитов, надеялся проникнуть в тайны Ideonella sakaiensis 201-F6 другой профессор, директор Центра инноваций ферментов Университета Портсмута Джон Макгихан.

Ученые выяснили: бактерия Ideonella sakaiensis 201-F6 расправляется с пластиком с помощью фермента ПЭТаза. Фермент — это катализатор химической реакции. Именно ПЭТаза запускает процесс расщепления ПЭТ на терефталевую кислоту и этиленгликоль, то есть разлагает полимер на мономерные звенья. Проблема только в том, что в естественных условиях она делает это слишком долго. Чтобы использовать способности фермента для решения проблемы пластика на Земле, надо искать способ ускорить реакцию. Но для этого фермент нужно хорошенько изучить: нельзя сделать двигатель автомобиля мощнее, если не знать, из чего он изначально был собран. Гигантский синхротрон и его электроны помогли команде Макгихана как следует рассмотреть фермент. «Мы смогли увидеть каждый атом в невероятных подробностях», — говорит профессор Макгихан в одном из интервью, поворачивая на экране лабораторного компьютера подробное 3D-изображение фермента: он похож на неровный валун.

Национальная лаборатория по изучению возобновляемой энергии, штат Колорадо, США

Для первых экспериментов по знакомству с Ideonella sakaiensis 201-F6 американские ученые вырезали образцы ПЭТ из бутылок кока-колы, выпитой их студентами здесь же в лаборатории. Чтобы в режиме реального времени наблюдать за тем, как миллионы клонов бактерии будут пожирать шестимиллиметровые кусочки микропластика. Это могло стать одним из способов ускорить процесс разложения ПЭТ: селекционировать самых прожорливых «особей».

Основная работа, впрочем, велась другим способом: методом направленной эволюции (первой «заставить» ферменты развиваться в нужном направлении смогла американка Фрэнсис Арнольд, получившая за это Нобелевскую премию по химии в 2018 г.).

С помощью этого метода ученые могут вносить мутации в фермент и таким образом изменять его свойства и принцип действия. Этим в лаборатории занималась группа молодого биохимика Грега Бекхэма, в свободное от науки время — дайвера, уставшего натыкаться на пластик среди кораллов.

Разглядывая вместе с профессором Макгиханом 3D-модель, Бекхэм понял, что ПЭТаза похожа на свой природный аналог — кутиназу. Это фермент, который умеет расщеплять природный воск кутин, защищающий листья от чрезмерного испарения воды, но, конечно, не умеет работать с полимерами, созданными человеком. Ученые предположили, что кутиназа эволюционировала до ПЭТазы из-за несчастливой жизни в почве с пластиком. Чтобы проверить гипотезу, они создали мутанта, но, как часто случается с мутантами в голливудских фильмах, эксперимент пошел по неожиданному сценарию: ученые сделали открытие, попавшее в 2018-м в заголовки всех мировых СМИ.

«Мы случайно создали фермент, способный разлагать пластик на 20% активнее, чем ПЕТаза», — признались ученые. Теперь они знали механизм превращения медленного пожирателя пластика в потенциальную машину по безвредному уничтожению пластиковых бутылок. Статья о прорыве вышла в 2018 г. С момента обнаружения бактерии в порту города Сакаи прошло меньше пяти лет — по научным меркам продвижение к технологии шло очень быстрыми темпами.

«Технология существует, и есть большая вероятность, что в последующие годы мы увидим промышленную переработку ПЭТ и, возможно, других веществ», — заявил профессор Макгихан в 2018 г. В Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии США срок появления продукта оценили в пять лет.

О будущем технологии я разговариваю с Ником Роррером из команды Бекхэма — химиком-полимерщиком или, как он сам себя называет, «профессиональным пластиковым нердом». Впрочем, на канонического ботаника он совсем не похож. Ник — большой, лохматый и добродушный, фанат йоги и сноуборда. В Москве поздний вечер, в Колорадо утро. Я пью на своей кухне чай с мятой, Ник гуляет с любимой собакой по кличке Байу.

— Почему нужно целых пять лет, чтобы начать использовать вашу технологию?

— Львиная доля времени уйдет на то, чтобы убедить нужных людей, что это стоящая затея. Похоже, мы научились с помощью этого фермента «разлагать» бутылки, то есть гидролизовать ПЭТ и получать из него терефталевую кислоту, из которой можно снова делать ПЭТ высокого качества примерно по той же цене, но без нефтепродуктов. Это очень круто! Но дальше возникает проблема — нет инфраструктуры. Чтобы поставить этот процесс на поток, нужно много специальных цехов. То есть той же Coca-Cola нужно строить кучу новых объектов, где собранное вторсырье будут гидролизовать с помощью фермента, а это означает большие инвестиционные риски. Нефтехимические корпорации производили ПЭТ на своем оборудовании всю мою жизнь и всю жизнь моих родителей, и их инвестиции давным-давно окупились. Так что три-четыре, а может быть, и пять лет уйдут у нас только на то, чтобы убедить гигантов индустрии, что риски минимальны. А для этого нам нужны убедительные данные и расчеты, ради которых мы и сидим в лабораториях.

— То есть сама технология уже готова, «бери и делай», была бы воля?

— Да, я думаю, мы уже почти готовы поделиться всеми своими данными. Прямо сейчас мы заканчиваем работу над статьей с расчетом экономических моделей для этой технологии, и они выглядят хорошо. Но это только один элемент пазла. Например, у нас есть очень интересный проект по производству из переработанного ПЭТ и этиленгликоля прочных пластиков, скажем, для ветряных турбин или досок для серфинга. Сейчас пластик моют, дробят и добавляют в новые бутылки, отчего их качество ухудшается, а мы, наоборот, можем делать из вторсырья еще более качественные продукты.

— Это сложная химия?

— Я не думаю, что это сложная задача, у нас тут вообще очень много классных идей, главная загвоздка — как выбрать лучшую. Дело не в химии, наука может очень много. Но еще есть поведение индустрии и поведение потребителя. Я никогда особо не парился насчет того, что у нас есть конкуренты в плане науки, у меня немного альтруистический взгляд на это, а вот нефтехимики всегда будут нашими реальными конкурентами. Они строят столько новых заводов по производству пластика, из-за революции сланцевого газа они могут производить пластик из ископаемых материалов все дешевле и дешевле. Для нас это, конечно, вызов.

— Ты веришь, что проблема мусора когда-нибудь будет решена?

— Я в этом смысле точно оптимист. В нашей лаборатории мы сейчас буквально занимаемся тем, что пытаемся превратить мусор в золото, и я думаю, что однажды из этого что-то получится. В этом есть огромный экономический потенциал. Мы просто должны объяснить, почему наши технологии хороши для капитализма, для инвесторов, для людей — для всей нашей планеты. Я думаю, что мы находимся в моменте смены парадигмы, мы уже понимаем, что ископаемое топливо рано или поздно уступит место новым технологиям. Но их внедрение никогда не было простым занятием.