О чистый новый мир: экология будущего в настоящем

13 июня 12:00

2094

13 минут на чтение

Несмотря на то, что большая часть произведений о будущем далека от утопии, в них нет-нет да и проскочат общечеловеческие фантазии о более экологичном мире. Мире, где города похожи на парки, мусор перерабатывается или вовсе не производится, а человечество впервые за десятки тысяч лет живёт в полной гармонии с природой, ничего не потеряв в комфорте. Возможно ли это в реальности и какие предтечи дивного нового мира есть уже сейчас?

Микромир на страже планеты

Идея городов и сообществ будущего, в которых человечество сумело не только прийти к гармонии, но и восстановить уже сломанное и отравленное, не нова. Можно вспомнить игру Horizon Zero Dawn, где разработчики проекта «Новый рассвет» проектировали машины для восстановления и фильтрации мира, или настолку «Earthborne. Рейнджеры», где человечество достигло техносимбиоза в отношениях с остальными видами.

Система ПОСЕЙДОН в игре Horizon Zero Dawn занималась восстановлением и очисткой гидросферы планеты

Guerrilla Games, 2017

Воплотить подобные концепции в реальности, конечно, сложно, но, если начать с малого, есть шанс добиться больших перемен. Причём начать буквально с самого малого: с бактерий. Уже сейчас выявлены штаммы, чрезвычайно перспективные в области разложения углеводородов, — они потенциально способны избавить мир от страшных последствий разлива нефти и мазута. Первыми заметили Mycobacterium phlei, Corynebacterium xerosis и Lactobacillus casei — и сейчас рассматривают их как эффективных разрушителей углеводородов.

Подобным образом использовать можно и опасные болезнетворные бактерии: в частности, представителей рода Pseudomonas — P. Aeruginosa (синегнойная палочка) и P. putida. Одно из исследований показало, что за 21 день штаммы разлагали отдельные фракции моторного масла более чем на 90%!

Морские бактерии Alcanivorax borkumensis тоже оказались способны расщеплять углеводороды — в частности, содержащиеся в машинном масле, чистой нефти и дизельном топливе. В запасе у A. borkumensis целый арсенал ферментов, подходящих для разных углеводородов. Причём их эффективность довольно высока: за неделю ферментный комплекс справился с 73% дизельного топлива, 82% моторного масла и 88% нефти в загрязнённой почве.

Alcanivorax borkumensis смогли бы справиться с таким нефтяным пятном в заливе Сан-Франциско за несколько дней

Brocken Inaglory [CC BY-CA 4.0]

Не отстают от своих родственников и археи: найденные в Мексиканском заливе Methanoliparia превращают в метан длинноцепочечные алканы (такие входят в состав нефти), а реакция идёт при полном отсутствии кислорода. Археи Argoarchaeum и Syntrophoarchaeum тоже перерабатывают алканы, но короткоцепочечные, причём для этого они вступают в симбиотические взаимоотношения с бактериями. Проблема с археями — и, в частности, с Methanoliparia — в том, что их крайне сложно культивировать в лаборатории, так что эту задачку ещё предстоит решить.

Бактерии могут быть полезны и в борьбе с лишним пластиком. В уже упоминавшемся роду Pseudomonas есть пока ещё малоизученный штамм, близкий родственник P. putida. Он способен перерабатывать олигомеры полиуретана и его мономеры и использовать их как важнейший источник всех необходимых ему соединений, от углерода до азота.

Для борьбы с полистиролом и полиэтиленом предлагают использовать личинок мучного хрущака и восковой моли. Бактерии в их желудочно-кишечном тракте невероятно эффективно их перерабатывают: почти половина полистирола, прошедшая ЖКТ хрущака, становилась углекислым газом! А моль, поедая полиэтилен, довольно быстро превращала его в этиленгликоль — всё при помощи бактерий Enterobacter asburiae и Bacillus sp.

Личинки мучного хрущака способны переваривать полистирол, превращая его в углекислый газ

Rasbak [CC BY-CA 3.0]

Бактерии Ideonella sakaiensis штамма 201-F6 применяют для метаболизма распространённый полиэтилентерефталат (ПЭТ). Для этого им нужно два фермента: первый позволяет разложить полимер до мономера, а второй превращает мономер в терефталевую кислоту и этиленгликоль.

Все эти бактерии появились на свет в процессе естественной эволюции, но их ведь можно усовершенствовать в лаборатории! Шотландские учёные в 2021 году немного «переделали» метаболические пути кишечной палочки, добавив ей гены нескольких новых ферментов, после чего палочка смогла превращать упомянутую терефталевую кислоту… в пищевой ванилин — тот самый, который добавляют в выпечку! Чем не безотходное производство? Причём после оптимизации учёным удалось добиться неплохого КПД: 79% выхода ванилина из терефталевой кислоты — это в 157 раз лучше, чем в исходном варианте.

А ещё можно пойти примерно по тому же пути, по какому идут разработчики вакцин, — вовсе избавиться от бактерии, оставив только действующие вещества — ферменты, разлагающие пластик. Самые любопытные для разработки те самые два ПЭТ-разлагающих фермента — PET-аза и MHET-аза (они перерабатывают пластик в терефталевую кислоту и этиленгликоль). Вариантов использования этих ферментов масса. Во-первых, можно сделать химерный белок, объединяющий две функции. Во-вторых, добавить к ферментам модификаторы, ионы металлов и органические растворители (такой способ предложили китайские учёные). Активность PET-азы от этого возрастает не сильно (в 1,1 раза), зато показатели MHET-азы улучшаются аж в 2,3 раза!

Пластиковые отходы составляют основу Большого тихоокеанского мусорного пятна и аналогичных ему плавучих свалок

Justin Dolske [CC BY-CA 2.0]

Есть и третий способ «объединить» ферментативные активности. В 2024 году группа из США сделала из PET-азы и MHET-азы своеобразный шарик, «слепив» их с помощью наночастиц. Эффективность разложения ПЭТ от этого увеличилась в 2,5 раза по сравнению со свободными ферментами, а главное — такой «шарик» можно использовать повторно.

В конце концов, можно модифицировать существующие ферменты — это и сделали учёные из Франции. Выбрав самый эффективный изначально фермент, они поменяли его структуру и добились удивительного результата: 99,8% разложения пластика за 10 часов.

Биоматериалы будущего

Параллельно со способами очистки планеты от лишнего пластика специалисты думают о том, как вообще не создавать такого типа отходов. Можно придумать новые альтернативные материалы, используя максимально экологичные субстраты — те, которые совсем не нужно перерабатывать или которые можно использовать условно вечно. И занимаются этим не только учёные, но и люди из не особо «научных» областей.

Мебель из водорослей была не только экологична, но и довольно элегантна

Søuld

Например, в 2021 году дизайнер Дэвид Тульструп сделал для компании Søuld мебель… из прессованных водорослей. Такое решение было продиктовано не только экологичностью: оно символизировало ещё и возвращение к корням Северной Ютландии (Дания). Традиция использовать морские водоросли в качестве строительного материала восходит ещё к 1600-м годам. Водоросли быстро восстанавливаются, они лёгкие, и каждый предмет, созданный из них, будет отличаться от остальных из-за индивидуальных особенностей субстрата.

Также существуют проекты, призванные помочь человечеству избавляться от одноразовой посуды. Например, съедобные стаканчики для кофе, сделанные из вафель и печенья, тарелки из прессованного вторичного картона, быстро разлагающиеся в природе, и даже приборы из кукурузного крахмала и сахарного тростника, которые на взгляд не отличишь от пластиковых.

Но это всё относительно старые идеи, уже лёгшие кое-где в основу бизнеса. А тем временем специалисты разрабатывают и технологически новые проекты. В январе 2025 года исследовательская группа из Италии и Финляндии представила абсолютно безвредную биоразлагаемую посуду. В её основе — гидрофобная целлюлоза, вернее изготовленный из неё гидрогель. Новый материал состоит из целлюлозных волокон, в которые внесли некоторые изменения: в них искусственно вшили пептиды. Даже небольшое количество пептидов (меньше 0,1%) значительно повысило устойчивость материала к нагрузкам и влаге.

Посуда с гидрофобным покрытием отталкивает жир и прочие загрязнения — это позволяет сэкономить немало пресной воды

Tomorrow Machine

Китайские учёные сделали из целлюлозы полностью разлагающиеся трубочки для питья, добавив к основному субстрату альгинат — полисахарид, выделяемый из водорослей. Однако технологический процесс оказался довольно сложным: сначала из целлюлозы с добавками нужно приготовить гель, потом хорошенько его высушить и уже после этого аккуратно сворачивать. Но на выходе получаются отличные «зелёные» аналоги современных пластиковых трубочек. Они выдерживают сильный нагрев (до 95 °C) и разлагаются всего за 45 дней. Для сравнения, обычная трубочка из пластика может пролежать в земле от 200 до 500 лет.

Целлюлоза вообще оказалась очень многообещающим материалом. Группа учёных из университета Мэриленда предложила использовать наноцеллюлозу в электрохимии. У неё высокая проводимость и неплохие электрохимические характеристики: отличный выбор для «зелёной» электроники.

Другая научная группа нашла способ изготавливать оптоволокно из восстановленной целлюлозы, покрытой ацетатом целлюлозы. Оно пока значительно проигрывает в характеристиках обычному стеклянному или пластиковому оптоволокну, однако под водой целлюлозное начинает работать гораздо лучше.

Сейчас оптоволокно делают из стекла или пластика

Annatsach [CC BY-CA 4.0]

Из целлюлозы можно делать даже теплоизолирующее вещество. Вместо обычной ядовитой «пенки» группа из университета Вашингтона предложила использовать особую: надо соединить нанокристаллическую целлюлозу (для её создания обычную древесину обрабатывают серной кислотой) с водным раствором поливинилового спирта и дополнительным сшивающим агентом. У такой пены очень низкий показатель теплопроводности, к тому же она не деформируется при сильном давлении.

А в Японии учёные пошли совсем другим путём: они придумали… вечный пластик из супрамолекулярных полимеров, связанных солевыми мостиками. Такой пластик потенциально способен взять на себя все человеческие потребности. Удивительное в нём то, что его свойства и характеристики можно менять, подвергая разным воздействиям: это значит, что из одного и того же сырья можно делать и кухонные миски, и костыли, и даже медицинские приспособления. А потом сложить всё это в один контейнер для переработки и изготовить что-то совершенно другое. Это ли не будущее?

Такой пластик не только прочный: он ещё и быстро разлагается в морской воде и почве, причём учёные утверждают, что в лабораторных тестах им удавалось успешно восстанавливать до 91% материала для дальнейшего использования.

Внешне биоразлагаемый пластик ничем не отличается от обычного

Manami Yamada / Reuters

Учёные из Канады тоже решили сделать новый пластик — из картофельной кожуры. Точнее, из содержащегося в картофеле крахмала, который поместили в воду, довели до температуры выше точки кипения — до точки, когда вода полностью превращается в пар. В этих условиях структура крахмала стала гораздо более устойчивой, и получился специфический пластикоподобный полимерный материал.

Также в этой области способны помочь уже упоминавшиеся друзья-бактерии. Бактериальные полимерные материалы могут применяться как добавки: например, биополимеры, производимые Lactobacillus reuteri, уменьшают коррозию арматуры, хотя и ослабляют механические свойства. Ещё они работают как адсорбенты: например, уже знакомый нам альгинат натрия, с помощью которого делали быстроразлагаемые трубочки, связывает ионы тяжёлых металлов.

А можно вообще не изобретать ничего нового — просто самую малость «переделать» существующие материалы. Например, бамбук. Бамбук использовали для строительства и создания мебели с древности, он прочный и лёгкий, так что в Азии из него до сих пор делают строительные леса. Впрочем, стали и пластику он, конечно, проигрывает. Та же группа, что изучала свойства наноцеллюлозы, нашла способ усовершенствовать бамбук: «химическая делигнификация с последующим микроволновым нагревом». Звучит страшно сложно, но на деле процесс относительно прост. Сначала из бамбука удаляют вещество лигнин — полимерное соединение, пропитывающее стенки растительных клеток и придающее им жёсткость. В результате клетки бамбука получаются бесформенными. А последующий микроволновый нагрев полностью убирает из клеток воду, чтобы они сложились, как под прессом, в плотную структуру. Таким образом бамбук не только становится легче, но ещё и значительно увеличивает свою прочность.

Продлеваем жизнь

Кроме антикоррозийной краски, NASA разработала покрытие, чувствительное к давлению

NASA

Есть ещё третий путь, по которому можно пойти, чтобы уменьшить объём отходов: создавать материалы, способные продлить жизнь вещей на максимально долгий срок. Например, антикоррозионные покрытия, выделяющие цветом «сомнительные» места металлических конструкций. NASA уже придумало для своих разработок специальную «умную» краску, меняющую цвет в зависимости от кислотности среды: щелочная указывает на зарождающуюся коррозию. А кроме того, в ней присутствуют ещё и ингибиторы коррозии, высвобождающиеся в случае необходимости!

Ещё в NASA разрабатывают флуоресцирующую «умную» краску: дополнительные молекулы в ней начинают «светиться» при окислении или при взаимодействии с веществами, образующимися при коррозии. Галохромное (то есть меняющее цвет) покрытие — это вообще очень перспективная разработка, ведь его можно применять буквально везде, от медицинских приборов и текстиля до спортивного инвентаря.

В 2025 году учёные лондонского Королевского колледжа и Университета Суонси разработали самовосстанавливающийся асфальт на основе микрокапсул с натуральными спорами растений и «омолаживающими» веществами из переработанных отходов

Swansea University, freepik

Разрабатываются материалы и для самовосстанавливающихся дорог — автомобилисты, несомненно, такие материалы очень ждут. Представьте покрытие без единой трещины, которое быстро сглаживает возникающие в полотне неровности. Его ещё и не придётся постоянно чинить, затрачивая деньги и производя кучи отходов. В книге известного популяризатора науки Джима Аль-Халили «На что похоже будущее?» (2020) как раз предлагается этот вариант. В таком покрытии содержатся капсулы, высвобождающие содержимое при контакте с дождевой водой. Тут, кстати, тоже не обошлось без бактерий: предполагается, что в эти капсулы будут заключать пребывающие в анабиозе бактерии (в основном Bacillus) и их субстрат — лактат кальция. Освободившись из капсулы, бактерии благодаря воде выйдут из «спячки» и начнут метаболизировать — продуцировать известняк, заполняющий всю трещину. Это проявление биомиметики — так называемое биомиметическое восстановление.

В чём подвох?

Всё это на словах звучит великолепно, но… вот именно — всегда есть какое-то но. Раздельный сбор отходов придумали уже давно, но он всё ещё не стал обязательной нормой для большинства людей. Люди, как и раньше, пользуются одноразовыми стаканчиками для кофе с собой, несмотря на популярность и распространённость многоразовых термокружек. С какими проблемами мы столкнёмся, когда начнём внедрять все эти чудесные изобретения?

Правило 3R уже известно по всему миру, но следуют ему, мягко говоря, не все и не всегда

Kevin Dooley [CC BY-CA 2.0]

Начнём с технических проблем. Например, бактерии: казалось бы, они предоставляют неплохой способ избавляться от уже случившихся разливов нефти или от пластика на свалках. Но есть и загвоздка: бактерии всё же довольно капризные существа. Их нужно уметь быстро культивировать в нужных для разлива масштабах — а масштабы иногда бывают гигантскими. Опять же, если культивировать бактерии где-то далеко от места разлива, их нужно как-то к этому месту доставлять, соблюдая необходимые условия для функционирования микроорганизмов. Вот почему развивать проекты, которые предлагают работать непосредственно с ферментами или с бактериями в анабиозе, более перспективно: их куда легче транспортировать.

Сложность заключается ещё и в том, что изготовление большей части упомянутых «зелёных» альтернатив обходится чрезмерно дорого — именно поэтому многие потенциально эффективные идеи до сих пор так и не нашли практического применения. А реальная экологичность некоторых проектов и вовсе сомнительна: в тех же одноразовых тарелках и вилках из кукурузного крахмала есть изрядная доля PP-пластика, а водорослевые блоки всё ещё скрепляют самым обыкновенным клеем. Распространённый биопластик тоже своего рода обманка: многие его представители по токсичности не уступают обыкновенному пластику. В исследовании 2020 года, проведённом немецкими учёными, оценили 43 повседневно используемых биоматериала, и 67% из них показали высокую токсичность.

Причём наиболее опасными оказались, увы, материалы из целлюлозы и крахмала. Так что уйдёт ещё немало времени на то, чтобы получить настоящий материал будущего — и экологичный, и безопасный для здоровья.

Большинству людей всё ещё легче кинуть пластиковую бутылку в кусты, чем нести её на переработку

Hajj0 ms [CC BY-CA 3.0]

Кроме этого, остаётся проблема восприятия: будут ли люди реально готовы перестать покупать дешёвые одноразовые тарелки и заменить их на чуть более дорогие целлюлозные? И будет ли экономика готова к «бесконечному» пластику — то есть к миру, где производить нужно в гораздо меньших масштабах, чем принято сейчас, а покупать новое будут, скорее всего, значительно реже? Смогут ли люди осознанно подойти к переработке всего и вся, как, например, в современной Японии, где разные фракции выбрасываются не только в разные контейнеры, но ещё и в разные дни — как раз чтобы избежать даже случайного смешивания.

Сейчас большинство представителей развитых стран живёт в эпоху невиданного перепотребления, в цикле «купил-выбросил». Согласно исследованию 2023 года, примерно 75% одежды, которую мы покупаем, оказывается на свалках — и это несмотря на то, что текстиль — вполне себе перерабатываемый материал! А ещё одежду можно продать, отдать в благотворительный или комиссионный магазин, переделать и использовать повторно, в конце концов.

Пока что переворота в сознании, увы, не предвидится: взять хотя бы ситуацию с пластиковыми пакетами. Отказаться от них в пользу многоразовых сумок вроде бы довольно просто. Однако статистика утверждает, что в Великобритании ежегодно покупается миллиард пластиковых пакетов, а в России ситуация ещё хуже: в разных источниках говорится, что в год россияне покупают более 10 миллиардов пакетов, из которых перерабатывается только десятая часть.

В России есть ещё одно традиционное средство борьбы за экологию: пакет с пакетами

Хотя казалось бы: положить в сумку многоразовую холщовку, чтобы не покупать пакет, значительно проще, чем тратить время и силы на разделение отходов и сознательный выбор более экологичной альтернативы. Подвижки в этом, впрочем, есть: во многих регионах выдача бесплатных пакетов законодательно прекращена.

Наконец, остаётся ещё и «апокалиптический» сценарий: вспомним тех самых поедающих нефть и пластик бактерий. Не мутируют ли они в открытой среде и не начнут ли, как в мире того же Horizon (хотя там и были машины, а не живые существа) потреблять вместо нефти обыкновенную органику? На самом деле вряд ли. Как мы говорили, бактерии весьма капризны, а если «выпускать» на место катастрофы специально выведенных бактерий с изменёнными метаболическими путями, то риск сценария экофагии и вовсе будет стремиться к нулю.

Какие бы удивительные открытия ни делали учёные и как бы ни стремились экологически сознательные компании к внедрению 3R-правила в свою повседневную жизнь, остаётся один большой вопрос. Получится ли всё это реально эффективно использовать до тех пор, пока большая часть человечества не убедится, что время перемен всё-таки настало?

Впрочем, даже если массовый переход к экологичности невозможен прямо сейчас, это не означает, что не нужно заниматься разработками. Ведь каждый шажок в эту сторону, сделанный в настоящем, приближает нас к гораздо более здоровому будущему.