Биодеградация микропластика на суше

Полимеры делятся на две группы по одному признаку — есть ли в основной цепи гетероатом. Сложные эфиры, амиды, уретаны и гликозидные связи содержат связь, которую можно гидролизовать, и для неё существует класс ферментов. Полиэтилен, полипропилен, полистирол и поливинилхлорид построены из углерод-углеродных связей, и гидролизовать там нечего. Всё, что известно о биодеградации микропластика в почве, распадается по этой границе.

Что действительно работает

В 2016 году из бактерии Ideonella sakaiensis была выделена гидролаза, расщепляющая сложноэфирную связь полиэтилентерефталата до моно(2-гидроксиэтил)терефталата, который вторым ферментом разбирается до терефталевой кислоты и этиленгликоля. Механизм классический для сериновых гидролаз и родственен кутиназам, которые эволюционировали на растительном полиэфире кутине; инженерные варианты листово-компостной кутиназы сегодня применяются в промышленном ферментативном рециклинге.

Ограничение у этого пути жёсткое и физическое. Фермент — крупная молекула, работающая на границе твёрдой фазы, и он атакует только аморфные участки полимера. Кристаллические домены недоступны: цепи в них упакованы плотно и неподвижны выше температуры стеклования лишь в аморфной части. Поэтому промышленный процесс начинается не с фермента, а с подготовки сырья — измельчения и аморфизации закалкой из расплава, — и идёт при температуре около 70 °C, у верхнего края области стеклования полиэтилентерефталата. Скорость пропорциональна доступной площади поверхности: это поверхностная эрозия, а не объёмная реакция.

Ничего из этого нет в почве. Внеклеточные ферменты в почве присутствуют в ничтожных концентрациях, сорбируются на глинистых минералах и гумусе, теряя активность, температура на два-три десятка градусов ниже оптимума, а бутылочный полиэтилентерефталат после вытяжки при формовании имеет высокую кристалличность. Единственное, что играет в пользу процесса, — сама дисперсность микрочастицы, дающая высокое отношение поверхности к массе.

Что не работает

Для углерод-углеродной цепи неизвестен ни один охарактеризованный фермент, деполимеризующий полиэтилен, полипропилен или полистирол со скоростью, значимой в окружающей среде. Теоретический путь — окисление невозбуждённой связи оксигеназой или лакказой — требует уже имеющейся кислородсодержащей группы как точки приложения, и во всех сообщениях, где убыль массы наблюдалась, ей предшествовало абиотическое фотоокисление. Сообщения о нескольких процентах убыли за месяцы — в кишечнике насекомых или в культуре — лежат вблизи предела гравиметрического метода и систематически смешиваются с вымыванием пластификаторов и наросшей биоплёнкой.

Как отличить деструкцию от исчезновения

Дисциплина доказательства здесь и есть содержание вопроса. Потеря массы образца, его исчезновение из мешочка в почве или уменьшение видимого размера — это фрагментация: частица стала мельче порога обнаружения, а не исчезла. Единственный корректный критерий — минерализация, то есть выход углерода полимера в виде углекислого газа, надёжнее всего прослеживаемый по изотопной метке углерода-13 в самом полимере.

Стандарты это различие уже фиксируют. EN 13432 описывает промышленное компостирование при 58 °C с требованием 90 % минерализации за 180 суток и почвенным утверждением не является. Почвенный аналог — EN 17033 для биоразлагаемых мульчирующих плёнок — требует 90 % относительно целлюлозы при температуре окружающей среды в пределах двух лет. Полиэтилентерефталат, полиэтилен и полипропилен не удовлетворяют ни первому, ни второму.