Уменьшить загрязнение окружающей среды пластмассой можно, заменив ее на безопасные биоразлагаемые естественные полимеры. 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.
Полигидроксиалканоаты (ПГА)
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.
Наталья Жила, старший научный сотрудник Института биофизики ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН»
«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.
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром "Красноярский научный центр СО РАН"
Фотограф: Тамаровская Анастасия / ФИЦ КНЦ СО РАН
