НАУКА И ИННОВАЦИИ В ПЕРЕРАБОТКЕ ПЛАСТИКОВ

Целью проекта является создание технологии биологического обезвреживания токсичных промышленных поллютантов. В том числе, искусственных полимеров с применением препаратов на основе запатентованных нами культур микроорганизмов – деструкторов соединений различных классов. Мы начинали нашу работу с соединений фосфора и элементного фосфора. Уже обсуждается внедрение наших наработок на предприятиях в Тольятти, Новочебоксарске и Дзержинске. В ближайшей перспективе планируется выход и на рынок в Ближнем Зарубежье - Казахстане.   В  настоящее  время уже показана биодеградация лигнинсульфоната - отхода целлюлозно-бумажной промышленности. В рамках проекта мы планируем изучать переработку полимерных материалов штаммом гриба аспергилла. Внедрение обладающего рядом преимуществ способа обезвреживания позволит существенно сократить штрафы, налагаемые на предприятия, производящие и потребляющие пластмассы, рекультивировать мусорные полигоны и свалки бытовых отходов. В идеале пластиковые отходы должны превращаться в гумус, являющийся подкормкой для растений и повышающий плодородие почв.
Сейчас в год производится около 400 миллионов тонн пластика, и, по прогнозам, к 2050 году его производство удвоится. Несколько миллионов тонн пластика ежегодно поступает на свалки и полигоны, которые оказывают резкое негативное влияние на окружающую среду и качество жизни, здоровье людей. По мере старения пластиковые материалы рассыпаются и формируют пылевидные частицы микропластика, проникающие внутрь организма и оказывающие резко негативное влияние на здоровье людей. Угроза загрязнений земельных угодий и водоемов полимерами является достаточно острой для большинства регионов России. Приоритетной  задачей  является разработка методов обезвреживания токсичных соединений. В настоящее время нами начаты исследования биодеградации нефтей и нефтепродуктов, отходов переработки древесины (лигнинсульфонат) нашими культурами грибов. Пластики в плане токсичности менее опасны для окружающей среды, чем соединения фосфора, с которых мы начинали работу, но производятся и потребляются в значительно больших объемах. Поэтому, в целом опасность загрязнения этим классом загрязнителей значительно выше. В случае положительных результатов работы, существенно расширится сфера применения разрабатываемой технологии, поскольку появится возможность обезвреживать более значительные масштабы загрязнений.

Среди соединений фосфора встречаются самые токсичные вещества, созданные человеком. Но, тем не менее, они применяются в раличных сферах хозяйства - в производстве пестицидов, лекарств, боевых отравляющих веществ, пластмасс и т.д. Следовательно, актуальным направлением является создание методов обезвреживания токсичных соединений фосфора. Соединения  фосфора являются одним из самых опасных загрязнителей окружающей среды. Нами получены   культуры  микроорганизмов, превращающие  ряд токсичных соединений фосфора в фосфат,  безвредный  для  окружающей  среды.  Предлагаемый  нами  метод биологической ремедиации в рамках проекта позволяет производить очистку сточных вод предприятий и загрязненных территорий.
Применяемые нами штаммы грибов уже показали себя достаточно универсальными биодеструкторами, способными расщеплять широкий ряд загрязнителей разного химического строения и разных классов опасности. От элементного фосфора до пластмасс и нефти.

В наших работах впервые получены культуры микроорганизмов, растущих в средах с содержанием одного из опаснейших веществ - белого фосфора! У элемента фосфора есть уникальное качество: будучи сильнейшим ядом в виде восстановленных соединений и эфиров фосфорной кислоты, в полностью окисленном состоянии (фосфаты) он абсолютно необходим для всех форм жизни, являясь биогенным макроэлементом. За период реализации проекта мы планируем создать технологию биологического обезвреживания токсичных соединений фосфора с применением препаратов на основе созданных нами культур микроорганизмов. Внедрение нового и обладающего рядом преимуществ способа обезвреживания токсичных соединений фосфора позволит существенно сократить штрафы, налагаемые на предприятия, произодящие и потребляющие данные соединения, поэтому они заинтересованы в приобретении созданных нами микробных культур и внедрении разработанного нами же метода в свои технологические циклы. 
Пластиковые материалы являются продуктами переработки нефти, каменного угля и природного газа. В свою очередь, этот набор полезных ископаемых возник в результате глубокой переработки биомассы живых организмов. Поэтому, пластмассы состоят из того же набора элементов, что и живые организмы. Это водород, углерод, азот, кислород, сера, хлор, в более редких случаях фтор и кремний. Некоторые пластификаторы содержат в своем составе фосфор.

Поскольку большинство этих элементов являются биогенными, теоретически возможно усвоение пластиковых отходов биосферой и возвращение этих элементов в природный круговорот. На практике пластиковые отходы с трудом подвергаются деградации в окружающей среде. У живых организмов эволюционно не сформировался набор ферментов, необходимый для утилизации этих веществ. Применение биопрепаратов на основе изученных микроорганизмов деструкторов позволяет существенно, на несколько порядков, ускорить естественный процесс разложения пластиковых отходов. Соответственно, растет эффективность рекультивации площадей под мусорными полигонами. Вполне возможна переработка пластикового мусора в органическое вещество, гумус, на основе которого можно создавать подкормки и удобрения для  сельскохозяйственных растений и лесных насаждений. При этом снижается загрязнение микропластиком, оказывающим вредное влияние на здоровье населения. В перспективе, снизятся штрафы и денежные выплаты, налагаемые природоохранными органами на  организации, чья деятельность связана с накоплением пластикового мусора.

"Держателями" проблемы являются предприятия химической промышленности, аграрно-промышленный комплекс, машиностроение и приборостроение, производство товаров широкого потребления, пищевая промышленность, медицина, сфера услуг и торговые предприятия, региональные операторы по обращению с отходами. Кроме того, в случае, если имеющиеся в нашем распоряжении культуры микроорганизмов проявят способность к биодеградации полимерных материалов (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиэтилентерефталат, капрон и нейлон, полиакрилонитрил, пластик сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирол, фенолформальдегидные смолы, поликарбонаты, вулканизированные каучуки, силиконовые резины (полиорганосилоксаны), полифениленсульфид, углеродные волокна, фосфонитрильные каучуки и т.д.), их можно будет применять для рекультивации свалок и мусорных полигонов. А это серьезная проблема, актуальность которой постоянно растет.
На территории Российской Федерации во внедрении технологии и приобретении культур микроорганизмов заинтересованы МВД, МЧС, Министерство природных ресурсов и Министерство обороны РФ. 

В настоящее время наш проект рассматривается как потенциальный способ очистки территории обанкоротившегося ОАО "Фосфор" в рамках Стратегии социально-экономического развития Самарской области до 2030 года и Разработки технико-экономического обоснования Ликвидации очагов загрязнения желтым фосфором Территории бывшего ОАО "Фосфор". Партнеры из СамГТУ готовы применить разрабатываемую нами технологию в случае успешного прохождения Государственной экологической экспертизы.
За рубежом потенциальными партнерами являются компании Kunming Gaoheng Huagong Chemical Industry Co. (Китай), Guangzhou Baiyun Chemical Industry Co. LTD (Китай), ТОО Казфосфат– в том числе, Новоджамбулский фосфорный завод (НДФЗ) (Казахстан), Monsanto (США), Clariant (Швейцария), Rhodia (Франция), Thang Long Industrial Park (Вьетнам).

Вятский государственный университет Туманов А.С., Ашихмина Т.Я., Лещенко А.А., ПогорельскийИ.П.,  Шаров  С.  А.,  Тетерин  В.В.,  Лазыкин  А.Г.,  Филимонова  Г.В.,  Ежов  А.В.,  Пермяков  Р.Г. Биопрепарат с расширенным спектром биодеградативной активности для рекультивации почвы объекта  уничтожения  химического  оружия  «Марадыковский»  //  Теоретическая  и  прикладная экология. 2015. № 3. С. 61-69.    Государственное  учебно-научное  учреждение  Химический  факультет  Московского государственного  университета  имени  М.В.Ломоносова  (RU)  Патент  RU  2408724  Пермский государственный  технический  университет;  Патент  на  изобретение  2232943.     Singh  B.K.,  A.Walker.  Microbial  degradation  of  organophosphorus  compounds.  FEMS  Microbiol  Rev. 2006. Vol.30. No.3. P.428-471.
Для  токсичных соединений  фосфора  биодеградация  известна  и  описана  в  перечисленных  патентах  и публикациях. Однако, перечисленные примеры, методы и способы биодеградации токсичных соединений  фосфора  имеют  недостаток  –  спектр  обезвреживаемых  соединений  не  включает высокотоксичное  вещество  первого  класса  опасности  белый  (желтый)  фосфор,  а  также  более устойчивую аллотропную модификацию красный фосфор, которые мы впервые смогли успешно обезвреживать  при  помощи  биодеградации.  То  есть,  предлагаемый  нами  метод  позволяет обезвреживать большее разнообразие токсичных соединений фосфора.
Конкурентоспособность данного проекта основана на более широком спектре обезвреживаемых токсичных соединений фосфора, включающем белый (желтый) и красный фосфор.
Конкурентов в производстве штаммов биодеструкторов белого фосфора в настоящее время нет. Конкурентоспособность данного проекта основана на технологиях, обеспечивающих уникальные свойства продукта для биологической деградации белого фосфора, на основе чего достигаются низкие показатели себестоимости даже при производстве в полупромышленном масштабе. 

Метод биодеградации для нефтепродуктов и пластиковых отходов уже применяется и ведутся глубокие исследования осуществляющих биодеградацию микроорганизмов.  Например, статья [V. Tournier, C.M. Topham, A. Gilles, B. David, C. Folgoas, E. Moya-Leclair, E. Kamionka, M.-L. Desrousseaux, H. Texier, S. Gavalda , M. Cot , E. Guemard, M. Dalibey , J. Nomme , G. Cioci , S. Barbe, M. Chateau , I. Andre, S. Duquesne, A. Marty. An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature. 2020. Vol.580. No.7802. P.216-219], опубликованная в престижнейшем журнале Nature и посвященная ферментативному гидролизу полиэтилентерефталата до мономеров,  отображает уровень современных исследований в этой области. Авторский коллектив синтезировал гены, кодирующие ферменты кутиназы с измененной аминокислотной последовательностью, более эффективно работающие при температурах выше 70 °С. По аналогии с подобными работами, зная уровень современных исследований, мы считаем вполне достижимым решение поставленной задачи в отношении как новых объектов биодеградации (таких, как аллотропные модификации фосфора), так и ставших традиционными (нефть и нефтепродукты, полимеры) при помощи исследуемых нами штаммов микроорганизмов.
Однако, разработанные другими авторскими коллективами методы и способы биодеградации искусственных полимеров имеют существенное ограничение – узкая специализация на разложении одного материала. Между тем, реальные загрязнения всегда представляют собой сложные смеси поллютантов различной природы. Исследуемый нами штамм показал себя достаточно универсальным деструктором. Например, спектр обезвреживаемых соединений включает высокотоксичное вещество первого класса опасности белый (желтый) фосфор, который мы впервые в мире смогли успешно обезвреживать при помощи биодеградации. То есть, предлагаемый нами метод позволяет обезвреживать большее разнообразие соединений разнообразного строения, вплоть до отходов наивысшего, первого класса опасности.