Утилизация твердых отходов с помощью бактерий

Скалабан П.Н., Ефремов Г.И.

МГОУ имени В.С. Черномырдина

В настоящее время существуют две основные проблемы человечества – исчерпаемость запасов нефти, которую очень сложно заменить, и растущие горы пластикового мусора, который практически невозможно утилизировать. Эти проблемы взаимосвязаны: пластик производится из нефти, и то, что с таким трудом добывается, потом бесполезным слоем мусора покрывает поверхность планеты. Кроме того все большее влияние на климат планеты оказывает парниковый эффект, основной причиной которого является увеличение выделяемого производством углекислого газа в атмосфере. Эти явления заставляют задуматься о будущем планеты и попытаться разработать новые технологии на основе биосинтеза для замены широко применяемых сейчас продуктов.

Так американские генетики из Университета Калифорнии создали генномодифицированные бактерии, которые, питаясь углекислым газом, создающим в атмосфере Земли злополучный парниковый эффект, угрожающий жизни всего живого, в качестве шлаков выдают чистое автомобильное топливо, не отличающееся по эксплуатационным качествам от бензина.

Новая разновидность цианобактерий фактически бесплатно вырабатывает изобутанол. Для реакции бактериям требуется лишь солнечный свет.

Новый метод производства топлива предлагается как один из методов снижения зависимости от биомассы для экономичных двигателей. Ранее многие эксперты говорили, что бурный рост потребления биотоплива приведет к проблемам с производством продовольственной продукции. Однако это не так.

Для эксперимента исследователи вывели модифицированный вид цианобактерий, способных потреблять СО₂ в промышленных масштабах и представлять собой реальный инструмент для получения альтернативы бензину.

Для того, чтобы образовывался изобутанол, бактерии производят химические реакции на основе фотосинтеза. Созданные авторами микроорганизмы решают по крайней мере две серьезные проблемы: во-первых, они поглощают углекислый газ, объемы производства которого растут, а во-вторых, они создают топливо, которое не оставляет после себя вредных выбросов. Кроме того, при использовании в качестве топлива изобутанол практически не отличается от бензина по своему КПД. Наконец, для проведения самого процесса преобразования не требуется ни тепла, ни воды - ничего кроме солнечного света.

В своих экспериментах ученые использовали бактерии Synechoccus elongatus, в генный набор которых был внедрен фермент RuBisCo, представляющий собой набор элементов генного уровня, позволяющих работать с переработкой углекислого газа. Ученые заявляют, что генномодифицированные бактерии были созданы не с нуля, а в большинстве своем их особенности были позаимствованы из генных наборов других сходных микроорганизмов.

На начальном этапе была создана бактерия, способная производить изобутанол напрямую. Однако сейчас ведется разработка процесса химического катализа газа изобутиральдегида в изобутанол. Эта реакция обладает низкой стоимостью производства и также позволяет производить жидкое сжигаемое топливо.

В 2006 году Тодд Киммель, руководитель венчурного фонда GreatPoint Ventures, по совету и при участии биохимика Аарона Мэнделла выкупил у Университета Оклахомы права на Clostridium carboxidivorans. Эта бактерия удивительна тем, что поглощает углекислый газ, водород и угарный газ, превращая их в этиловый спирт. Эти ингредиенты являются составляющими синтез-газа, образующегося при горении при температуре более 800°С почти любой органики. В ход идет любой бытовой мусор, автомобильные покрышки, пластиковые пакеты и бутылки, бумага, ткани и многое другое.

Специально для этого проекта была создана компания Coskata. Доводка необходимых свойств штаммов бактерий и базовые принципы уникальной технологии разрабатывались в сотрудничестве с учеными из Аргоннской национальной лаборатории до 2007 года в строжайшем секрете. В 2008 году принцип технологии был обнародован на Детройтском автосалоне, после чего началось строительство завода по производству сверхдешевого этанола.

Производство по данной технологии происходит в три этапа: Первый этап – производство питания для бактерий, того самого синтез-газа. Для этого исходное сырье загружают в специальную печь и при ограниченном доступе кислорода нагревают плазменными горелками почти до 900°С. При этом органика превращается в синтез-газ, а примеси и несгоревшие остатки удаляются. Вторым этапом стала ферментация: синтез-газ охлаждается до 38°С и помещается в специальный биореактор, состоящий из большого количества полых пластиковых трубок диаметром в несколько десятков микрон, помещенных в водную среду. Стенки трубок являются мембранами, которые равномерно выпускают синтгаз в окружающую воду. На внешнюю поверхность трубок высаживаются бактерии клостридий, которые питаются выделяющимся синтез-газом и выделяют этанол в воду. На третьем этапе этанол выделяется из водного раствора.