Jak bakterie pomohou vyřešit problémy lidstva

Bakteriální ekologie budoucnosti: Jak vědci trénují bakterie k recyklaci plastů, ropy a staré elektroniky

Bakterie, stejně jako houby, se nacházejí všude: od hlubokomořských termálních pramenů po ledové antarktické jezero, v rostlinách, zvířatech a lidech. Některé druhy mohou zkazit potraviny a poškodit úrodu, jiné zase pomáhají při výrobě fermentovaných potravin. Existují ale i neobvyklejší možnosti jejich využití: vědci pracují na bakteriálním zpracování různých druhů odpadů – plastů, ropy, elektroniky a výrobků z hutního průmyslu. Přečtěte si, jak mohou bakterie změnit budoucnost lidstva.

Co jsou bakterie

Bakterie jsou jednobuněčné mikroby bez jádra, jeden z nejstarších obyvatel Země: na naší planetě žijí více než 3 miliardy let. Mikrobi (mikroorganismy) jsou všichni tvorové, kteří nejsou viditelní pouhým okem. Mikroorganismy učinily náš svět obyvatelným. Anaerobní bakterie (které nevyžadují kyslík) v důsledku fotosyntézy začaly obohacovat atmosféru kyslíkem – tak se mohl život vynořit z vody na souš.

Bakterie, stejně jako viry, houby a další prvoci, jsou samostatnou skupinou tvorů. Jsou rozděleny do pěti skupin podle jejich tvaru:

• kulovité (koky),
• tyčinka (bacil),
• spirála (spirilla),
• čárky (vibrios),
• vývrtka (spirochéty).

Mohou existovat jako jednotlivé buňky nebo v párech, řetězcích nebo shlucích.

Kompostování. Aby bylo kompostování úspěšné, jsou potřeba podmínky vhodné pro rozvoj mikrobiálního společenství: vlhkost, přístup kyslíku, požadovaná teplota, míchání. Zpočátku jsou rozkladači organického odpadu především bakterie a plísně mléčného kvašení, které využívají k výživě rozpustné cukry, bílkoviny a aminokyseliny. Během následné vysokoteplotní fáze se objevují teplomilné bakterie a populace hub klesá. V konečné fázi kompostování jsou aktivní houby a bakterie, které rozkládají těžko dostupné organické látky (celulózu, lignin).

Kvašení. Jednou z nejslibnějších metod recyklace TKO je aerobně-anaerobní technologie, která umožňuje vyrábět nejen kompost, ale i bioplyn na bázi metanu.

Perspektivní oblastí je vývoj technologií pro kompostování a fermentaci biologicky rozložitelné části odpadů. Už začínají aktivně zakořeňovat v našich životech. Nyní se v Rusku v nových komplexech na zpracování odpadu (KPO) budují kompostárny pro potravinářský odpad, listový odpad a další biologicky rozložitelný odpad.

V takových komplexech jsou odpady podrobeny mechanickému a biologickému zpracování: těží se užitečné frakce (recyklovatelné) a oddělují se materiály pro výrobu paliva z odpadu, frakce se mechanicky oddělují, kompostují nebo fermentují za vzniku bioplynu. Výsledkem je biostabilizovaný zbytkový odpad, který bude následně likvidován na skládkách. Do atmosféry a na skládky se tak dostává méně škodlivých a zapáchajících látek a na skládce se tvoří méně nebezpečný filtrát – tedy déle vydrží.

Bakterie rozkládající trosky jsou běžné i na jiných místech, jako je půda nebo kompost. Pokud je jídla hodně – a odpadky jsou pro ně potravou – množí se mikrobi. Když ale živiny dojdou, růst aktivně se rozkládajících bakterií se zpomalí. To znamená, že můžeme kontrolovat jejich počet.

Nyní vědci pracují na zlepšení výkonu tohoto enzymu, což v budoucnu umožní vybudovat zařízení v průmyslovém měřítku, kde bakterie „stráví“ celé hromady plastů. Takové bakterie musí být bioinženýrství, aby mohly rozkládat plasty stokrát nebo tisíckrát rychleji.

V roce 2018 vědci z Velké Británie a USA upraveno bakterie, aby mohly plast rozložit během několika dní.

V říjnu 2020 byl tento proces vylepšen spojením dvou enzymů požírající plasty, které bakterie produkovaly, do jednoho „super enzymu“.

Mikrobiologové z Hongkongu našli způsob, jak pomocí bakterií zachytit mikroplasty. Vědci používají bakteriální biofilmy, lepkavou látku, pomocí které mikroorganismy zachycují mikročástice. Biofilmy způsobují, že se mikroplasty shlukují a usazují, což usnadňuje jejich sběr. Jakmile klesnou na dno reaktoru, vědci použijí gen pro rozptyl biofilmu k uvolnění mikroplastů. Nyní jsou připraveny ke zpracování.

Některé bakterie zatím nejsou schopny plast zcela rozložit na jeho původní chemické prvky, včetně uhlíku a vodíku. Místo toho obvykle rozkládají polymery, které tvoří plasty, na monomery, ze kterých lze často vyrobit pouze více plastů. To znamená, že PET plast lze přeměnit pouze na surovinu pro výrobu většího množství plastu.​​

Bakterie proti hutnímu odpadu

Mladí vědci z MISiS University vyvinuli novou technologii pro zpracování hutního a důlního odpadu pomocí thionických bakterií, které oxidují železo a uvolňují energii. Z těchto odpadů je možné těžit cenné suroviny a získávat vysoce kvalitní pigmenty pro průmysl barev a laků a kosmetický průmysl.

Objev je velmi relevantní. V Rusku se ročně vyprodukuje asi 6 miliard tun hutního a důlního odpadu, ale pouze 15 % z něj se recykluje. Převážná část odpadu je posílána do odpadu, což vytváří environmentální problémy pro lidi a přírodu.

Bakterie proti ropným skvrnám

Ničení složitých látek živými organismy se nazývá biodegradace. Úniky ropy a znečištění vody jsou vážnou hrozbou pro ekosystémy a lidi, protože toxické organické materiály vstupují do potravinového řetězce. K takovým únikům bude docházet tak dlouho, dokud lidstvo bude používat ropu.

Existují bakterie, které mohou očistit voda z úniků ropy, která spotřebovává uhlovodíky.

To je jediný způsob, jak se dostat do hlubokomořských oblastí a rozložit kruhové struktury uhlovodíků v ropě pomocí enzymů a kyslíku z mořské vody. Bakterie spotřebovávající ropu se nacházejí ve všech oceánech Země.

Bakterie proti elektronickému odpadu

Svět každoročně vyprodukuje obrovské množství elektronického odpadu (e-odpadu). Elektronická tsunami je živena nesprávně vyřazenými telefony, tablety a dalšími zařízeními. V roce 2020 bylo celosvětově vyprodukováno rekordních 53,6 milionů tun e-odpadu. Do roku 2030 toto číslo dosáhne 74 milionů tun.

Většina elektronického odpadu se hromadí na skládkách, kde se toxické kovy vyplavují do podzemních vod a potravních řetězců, což ohrožuje lidské zdraví a životní prostředí. Hory elektronického odpadu obsahují drahé kovy – například asi 7 % světového zlata. Pokud jsou bezpečně vytěženy a recyklovány, lze je znovu použít k výrobě nových věcí. K extrakci potřebných kovů můžete použít nejen toxické technologie, ale také bezpečné bakterie.

Mikroorganismy dokážou rozložit minerály uložené ve zlatě pomocí kyanidu sodného, ​​který rozpouští obnažený drahý kov. Kov pak může být izolován a čištěn.

Biolouhování vyžaduje velmi málo energie, a proto má malou uhlíkovou stopu. Tato metoda také nezahrnuje použití toxických chemikálií, díky čemuž je šetrná k životnímu prostředí a bezpečná. Tato mikrobiologická technologie poskytuje ekonomickou alternativu pro těžební průmysl v době, kdy dochází k vyčerpání vysoce kvalitních nerostných surovin.

Žijeme v době, kdy abychom v budoucnu přežili, potřebujeme spolupracovat a řešit globální problémy – například bojovat s následky bezmyšlenkovitého používání plastů. Bakterie mohou pomoci zachovat náš domov – stejně jako kdysi pomohly zahájit procesy jeho „stavby“.