Šešioliktasis mokslo populiarinimo konkurso darbas. Rasa Tumaševičiūtė rašo apie bioplastiko išgavimą iš nuotėkų.

***

Bioplastiko regeneravimas iš nuotekų srauto

Rasa Tumaševičiūtė

Ateities miesto komunalinių nuotekų valymo įrenginiai yra tiesioginis energijos ir vertingų produktų šaltinis. Nors įprastose nuotekų valyklose daugiausia dėmesio skiriama organinių substratų ir maistinių medžiagų pašalinimui, tačiau tikroji tokių gamyklų paskirtis yra teršalų vertimas vertingais galutiniais produktais. Viena iš galimybių yra organinės anglies iš nuotekų pavertimas bioplastiku. Polihidroksibutiratai (PHB) yra makromolekulės, kurias sintetina bakterijos. Jie yra inkliuziniai kūnai, susikaupę kaip atsarginės medžiagos, kai bakterijos auga esant skirtingoms streso sąlygoms. Dėl greito skaidomumo natūraliomis aplinkos sąlygomis PHB yra puikus biologiškai skaidomo plastiko gamybos pasirinkimas.

Dabartinė situacija

Pastarąjį dešimtmetį Lietuvoje intensyviai rekonstruoti miesto komunalinių nuotekų valymo įrenginiai, įrengiant azoto ir fosforo šalinimo bei nuotekų dumblo tvarkymo sistemas. Nepaisant įgyvendintų rekonstrukcijų, ne visos technologijos veikė ir veikia patikimai, ypač biologinės. Įmonės susiduria su sunkumais dėl susidarančių didelių dumblo kiekių. Kadangi yra praktiškai neįmanoma užtikrinti reikiamo dumblo apdorojimo laipsnio, tai turime natūralų poreikį sumažinti susidariusio dumblo kiekį.

Pastaraisiais dešimtmečiais mokslininkai pastebėjo poreikį gaminti ir naudoti biologiškai skaidomą polimerinę medžiagą iš biologinių ir biomolekulinių šaltinių, tokių kaip mikrobai, augalai, polisacharidai, baltymai ar lipidai, kurie naudojami kaip nebrangi ir atsinaujinanti alternatyva tradiciniams, iškastinio kuro pagrindo, polimerams. Taigi mokslininkai ieško tinkamiausių biologiškai skaidžių polimerų iš įvairių biologinių šaltinių, įskaitant mikroorganizmus. Laimei, gamta mums gali pasiūlyti alternatyvą naftos pagrindu pagamintiems polimerams.

Polihidroksialkanoatai (PHA) yra biologiškai skaidomi poliesteriai, gaminami bioprocesuose iš atsinaujinančių išteklių. PHA yra biologiškai susintetinti ir biologiškai skaidomi poliesteriai, turintys platų šiluminių ir mechaninių savybių spektrą. PHB yra PHA darinys, kuris buvo plačiai ištirtas ir kruopščiai aprašytas. Jie yra panašūs į tradicinius naftos pagrindo plastikus, tokius kaip polietilenas ir polipropilenas. Per pastaruosius kelis dešimtmečius šios savybės sulaukė didelio susidomėjimo. PHB homopolimerais galima lengvai manipuliuoti dėl jų trumpų grandinių žiedo lankstumo ir mažo kristališkumo. Taip pat gali būti gaminami PHB polimerai naudojant skirtingus anglies šaltinius, todėl gaunami nauji išskirtinių savybių biopolimerai. PHB didelio masto gamyba buvo reikšminga kliūtis siekiant pakeisti tradicinius plastikus bioplastikais, nepaisant visų jų privalumų, gamybos sąnaudos išlieka didelės.

Pranešama, kad daugiau nei 300 bakterijų yra biopolimerų gamintojai. Iš jų tik keletas bakterijų kultūrų, tokių kaip Azoto-bacter Vinelandi i, E. coli, Pseudomonas oleovorans, Halomonas campaniensis, Alteromonas lipolytica, Aeromonas sp., Bacillus megaterium, Methylobacteria sp, Herbaspirillum seropedicae, Alcaligenes latus, ir kt. yra naudojamos PHB ir PHA gamybos procesams. Tačiau bakterijų pagrindu pagaminto biopolimero pardavimo galimybės yra mažesnės dėl gamybos sąnaudų, nes dažnu atveju yra naudojamos išgrynintos medžiagos mitybai pvz., gliukozė, laktozė, sacharozė ir kt. Tyrimai atliekami siekiant išskirti PHB gaminančias bakterijas iš nuotekų valymo įrenginių ir nustatant tinkamas augimo sąlygas bei pigius anglies šaltinius PHB gamybai ir tokiu būdu sukuriant žiedinę ekonomiką.

Lietuvoje atlikti pirmieji bandomieji tyrimai

2020 m. rugpjūčio mėn. buvo atlikti pirmieji bandomieji tyrimai Vilniaus miesto nuotekų valykloje, siekiant išskirti PHB gaminančias bakterijas iš nuotekų valymo įrenginių ir panaudojant tą patį nuotekų vandenį kaip pigų anglies šaltinį. Gauti rezultatai bus pristatyti CYSENI 2021 konferencijoje.

Paraleliai vykdyti tyrimai dėl galimų atgauti medžiagų iš nuotekų srauto panaudojant mišrias mikrobines kultūras, šio tyrimo rezultatai pristatyti 4th Sustainable Process Integration Laboratory mokslinėje konferencijoje (Čekija). Iš nuotekų atgauta medžiaga yra savo struktūra panaši į polistireną ir tai leidžia teigti, kad komunalinių nuotekų valymo įrenginiai yra puikios vertingų medžiagų gamyklos. Todėl atnaujinant šias gamyklas, reiktų įvertinti galimus ekonominę vertę turinčių medžiagų atgavimus ir taip prisidėti kuriant žiedinę ekonomiką.

Literatūra

• SABARINATHAN, Devaraj, et al. Production of polyhydroxybutyrate (PHB) from Pseudomonas plecoglossicida and its application towards cancer detection. Informatics in Medicine Unlocked, 2018, Vol. 11, p. 61-67.
• NARAYANAN, Mathiyazhagan, et al. Enzyme and metabolites attained in degradation of chemical pesticides ß Cypermethrin by Bacillus cereus. Materials Today: Proceedings, 2020, Vol. 33, p. 3640-3645.
• NARAYANAN, Mathiyazhagan, et al. Bioremediation on effluents from magnesite and bauxite mines using Thiobacillus spp. and Pseudomonas spp. Journal of Bioremediation and Biodegradation, 2011, Vol. 2, No. 1.
• MUNEER, Faizan, et al. Microbial polyhydroxyalkanoates (PHAs): Efficient replacement of synthetic polymers. Journal of Polymers and the Environment, 2020, Vol. 28, p. 2301-2323.
• RIAZ, Shahina, RHEE, Kyong Yop, PARK, Soo Jin. Polyhydroxyalkanoates (PHAs): Biopolymers for Biofuel and Biorefineries. Polymers, 2021, Vol. 13 No. 2, p. 253.
• TC, Venkateswarulu, et al. Statistical optimization of PolyHydroxy Butyrate (PHB) production by novel Acinetobacter nosocomialis RR20 strain using Response Surface Methodology. Current Trends in Biotechnology & Pharmacy, 2020, Vol. 14, No. 1.
• MCADAM, Blaithín, et al. Production of polyhydroxybutyrate (PHB) and factors impacting its chemical and mechanical characteristics. Polymers, 2020, Vol. 12, No. 12, p. 2908.
• RENDÓN‐VILLALOBOS, Rodolfo, et al. The Role of Biopolymers in Obtaining Environmentally Friendly Materials. Composites from Renewable and Sustainable Materials, 2016, p. 151.
• TUFAIL, Saiqa; MUNIR, Sajida; JAMIL, Nazia. Variation analysis of bacterial polyhydroxyalkanoates production using saturated and unsaturated hydrocarbons. Brazilian journal of microbiology, 2017, Vol. 48, No. 4, p. 629-636.
• SHI, Xiao-Lai, et al. Alteromonas lipolytica sp. nov., a poly-beta-hydroxybutyrate-producing bacterium isolated from surface seawater. International journal of systematic and evolutionary microbiology, 2017, Vol. 67, No. 2, p. 237-242.