Красноярские ученые использовали отходы рыбной промышленности для создания биоразлагаемых экологичных пластмасс. Рыбные отходы служат доступным и возобновляемым углеродным субстратом, способствующим росту бактерий, и позволяют производить полимеры. Такие полимеры могут стать решением проблемы загрязнения окружающей среды пластиком. Результаты исследования опубликованы в серии статей, последняя в журнале Molecular Sciences.
Культуры бактерий на питательных средах из рыбных отходов. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Пластик играет важную роль в жизни современного общества и используется в различных отраслях: от электротехники и медицины до машиностроения и нефтедобывающей промышленности. В то же время широкое использование пластиков является глобальной экологической проблемой. Большинство видов нефтяного пластика разлагается сотни лет, что приводит к серьезным экологическим последствиям. Пластиковые отходы скапливаются в природе, загрязняя окружающую среду.
«Мировое производство синтетических пластмасс выросло почти до 400 миллионов тонн в год. Ожидается, что к 2050 году эта цифра достигнет одного миллиарда тонн в год. Накопление пластиковых отходов создает глобальную экологическую проблему. Одно из возможных решений связано с их обязательной переработкой. Второй путь решения этой проблемы — постепенный переход к новому поколению разрушаемых полимерных материалов, среди которых особое место занимают полигидроксиалканоаты», — рассказал кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института биофизики СО РАН Евгений Киселев.
Полигидроксиалканоаты (ПГА) — биоразлагаемые термопластичные полимеры. Их синтезируют некоторые микроорганизмы для запасания энергии и защиты от неблагоприятных условий. Полигидроксиалканоаты обладают теми же свойствами, что и обычный пластик, но при этом способны быстро разлагаться в природных условиях. Эти свойства делают ПГА одним из наиболее перспективных материалов и кандидатом на постепенную замену синтетических пластиков нефтяного происхождения. Сырьем для синтеза ПГА могут служить различные субстраты, в том числе побочные продукты различных отраслей промышленности.
Ученые из Красноярского научного центра СО РАН предположили, что отходы рыбной промышленности могут быть использованы в качестве сырья для синтеза ПГА-полимеров. Они предложили применять некондиционный рыбий жир в качестве углеродного субстрата для синтеза этих полимеров. Такой подход позволит снизить стоимость полимера, сделать процесс его получения более экологичным за счет использования возобновляемого сырья и решить проблему утилизации большого количества непереработанных рыбных отходов.
«Мы выбрали жиросодержащие рыбные отходы в качестве сырья для синтеза ПГА полимеров, поскольку для рыбоперерабатывающей промышленности очень актуальна проблема их утилизации. Во всем мире отходы рыбоперерабатывающей промышленности превышают 20 миллионов тонн в год, и они должны быть переработаны или утилизированы безопасным способом, чтобы предотвратить загрязнение окружающей среды. Жиросодержащие рыбные отходы могут стать эффективными и возобновляемыми субстратами для различных биотехнологических процессов, в том числе для производства полимеров», — отметил Евгений Киселев.
Исследовались три типа жировых побочных продуктов производства: отходы свежей балтийской кильки, свежей атлантической скумбрии консервного производства и остатки шпротного производства кильки после копчения.
«Мировой улов, используемый для производства консервированных шпрот, составляет примерно 500 тысяч тонн в год. Консервы из шпрот — массовый продукт, выпускаемый во многих странах. На рыбоперерабатывающих предприятиях одной только Калининградской области ежедневно образуется около 10 тонн отходов в виде копченых голов кильки. Это делает актуальным поиск решений по использованию этих жиросодержащих отходов, в том числе в качестве потенциального сырья для производства целевых биотехнологических продуктов», — уточнил ученый.
Процесс работы. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Специалисты использовали рыбные отходы в качестве источников углерода и питательной среды для бактерий Cupriavidus necator. Этот штамм способен синтезировать полимеры из различных углеродных субстратов. Все три источника оказались пригодными для выращивания этой бактериальной культуры. Лучше всего бактерии росли на масле, выделенном из копченой кильки. Наименьший выход был получен при использовании свежей кильки. Ученые связали эту разницу с особенностями жирнокислотного состава сырья. За двое суток бактерии переработали в полимер почти 60% субстрата, а за трое суток – 70%.
В результате из отходов свежей кильки и скумбрии был синтезирован гомополимер. Из сырья копченых килек ученые получили более технологичный трехкомпонентный сополимер. Он состоит из трех основных частей: мономеров 3-гидроксибутирата, а также небольшого количества 3-гидроксивалерата и 3-гидроксигексаноата. Таким образом, использование отходов производства рыбной промышленности в качестве углеродного субстрата позволяет синтезировать технологичные биоразлагаемые полимеры полигидроксиалканоаты.
Важными характеристиками полимеров, определяющими возможность использования материала, являются температурные свойства и степени кристаллизации. Поэтому ученые оценили свойства разлагаемых полигидроксиалканоатов, синтезированных из отходов рыбьего жира. Образцы имели сходные характеристики: степень кристалличности структуры была от 66 до 71%. Температура плавления оказалась пониженной по сравнению с полимерами, синтезированными на сахарных подложках, и составила от 158 до 165°C.
«Возможность использования жиросодержащих рыбных отходов пищевой промышленности для производства пластиков ПГА является вкладом биотехнологии в решение проблемы загрязнения биосферы и повышение эффективности промышленного производства. Полученные результаты демонстрируют, что исследованные жиросодержащие отходы, полученные из остатков кильки и скумбрии, перспективны в качестве доступных и возобновляемых углеродных субстратов для биосинтеза биоразлагаемого пластика», — заключил специалист.
Проведенные эксперименты позволили ученым подготовить и выиграть интеграционный грант Российского научного фонда (проект № 23-64-10007), где совместно с коллегами из Калининградского государственного технического университета исследуется переработка рыбных отходов в ценные продукты биотехнологии.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
Источник фото: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН