Не секрет, что пластиковое загрязнение в наше время носит глобальный характер. Пластик находят в водах всех океанов и на любых глубинах, - от Северного Ледовитого океана до берегов Антарктиды. Под воздействием ветра, волн, света и кислорода крупные фрагменты пластика истираются, образуя мелкие фракции вплоть до микро- и наночастиц, практически не поддающихся учету, но представляющих, по многим оценкам, наибольшую опасность для всего живого. Движущей силой фрагментации пластика наряду с абиотическими факторами могут быть и биотические. Поскольку понимание процессов биодеградации и биологической деполимеризации пластика является важным, в данной работе был предложен новый методологический подход для изучения роли пищеварительных ферментов морских беспозвоночных в биодеградации пластика.

В настоящее время, на фоне растущего количества исследований, посвящённых распространению и систематизации пластикового загрязнения в Мировом океане, и экспериментальных работ по определению вреда, наносимого микро- и нанопластиком различным живым организмам, появляется всё больше публикаций о биотической деградации пластика (биодеградации), приводящей к его трансформации, последствия которой ещё предстоит изучить.

Согласно современным научным представлениям, биодеградация - это сложное физико-химическое превращение полимера в более мелкие молекулы с участием живых организмов. Традиционно этот процесс включает последовательные взаимосвязанные стадии: биодеградацию, биофрагментацию, биоассимиляцию и биоминерализацию. Деградация полимеров определяется гибкостью или подвижностью молекулярной цепи, которая усиливается при введении дополнительных функциональных групп, особенно кислородсодержащих. Такая окислительная деструкция приводит к изменениям в полимерных цепях, включая снижение гидрофобности, увеличение межцепочечного объема и биодоступности для ферментов, изменение кристалличности и т.д.

Дальневосточные учёные в совместной работе двух ведущих учреждений – Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичёва ДВО РАН и Национального научного центра морской биологии им. А.В. Жирмунского ДВО РАН поставили целью выяснить и оценить возможность ферментативной биодеградации полиэтиленовых фрагментов в гомогенате пищеварительных желез морских беспозвоночных, различающихся по способу питания (чёрного морского ежа Strongylocentrotus nudus, морской звезды гребешковой патирии Patiria pectinifera, и приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis). Работа опубликована в журнале PeerJ.

Морские ежи – обитатели каменистых участков многих морей, очень широко распространены во всех дальневосточных морях России. Все морские ежи – всеядные животные, питаются они илом и теми мелкими животными и водорослями, которых смогут соскрести с камней и любых твердых предметов. Поэтому их ротовой аппарат – Аристотелев фонарь - скелетного происхождения, весьма мощный, занимает центральную часть полости тела ежа и состоит из 25 косточек, соединенных мышцами. Пять из этих косточек мощные, долотообразные, расположены вокруг рта и выполняют функцию скребущих зубов.

Патирия гребешковая, фото Дмитрия Рудася.

Роль морских звезд в морских сообществах значительна в силу их большой численности. Будучи хищниками, они могут влиять на обилие своих жертв – разных моллюсков, балянусов, многощетинковых червей полихет. Всего в заливе Петра Великого Японского моря обитает порядка 10 видов морских звезд. Чаще всего мы можем встретить у берега именно Патирию гребешковую, звезду с короткими лучами синего цвета с рассыпанными по спинной поверхности красно-оранжевыми пятнами. Эти небольшие звезды образуют многочисленные скопления на дне, особенно в июле–августе в период их массового нереста. В живом состоянии звезды ни для кого не служат пищевым объектом и по этой причине практически неуязвимы. Являясь консументами второго порядка, таким образом находятся у вершины «пищевой пирамиды» моря. Излюбленная пища морских звезд двустворчатые моллюски, как прикрепленные (мидии, устрицы) так и подвижные (гребешки, литорины и др.). Ползая по дну со скоростью в несколько сантиметров в минуту, звезда обнаруживает свою добычу - моллюска по запаху. Морские гребешки по способу питания являются фильтраторами, получая пищу из толщи воды и очищая её таким образом от взвешенных частиц. Питаются планктонными организмами, извлекая их из воды и засасывая в свою мантийную полость, основной компонент пищи – детрит, насыщенный различными организмами и продуктами их выделения с содержащимися микроорганизмами. Мощная фильтрационная способность скоплений моллюсков характеризует их как важных биофильтраторов и очистителей прибрежных вод. Важность гребешков как ценных промысловых объектов в тихоокеанских водах обуславливает значительный научный интерес к ним.

В работе данные были получены с помощью метода инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье на приборе IRAffinity-1S (Shimadzu). Этот метод анализа функциональных групп полимерной цепи позволяет не только идентифицировать тип полимера, но и выявить изменения в его структуре. С помощью этого метода учёные зарегистрировали существенные изменения в ИК спектрах фрагментов полиэтилена и полипропилена после обработки гомогенатами пищеварительной железы чёрного морского ежа S. nudus и звезды гребешковой патирии P.pectinifera, а также в гомогенатах пищеварительной железы и кристаллического стебелька приморского гребешка M. yessoensis.

В статье, опубликованной учёными ТОИ ДВО РАН чуть ранее, в феврале 2024 г., использован иной тип полимера и к пищеварительной железе использовали гомогенат кристаллического стебелька приморского гребешка. Результаты, полученные учёными на примере M. yessoensis, позволяют предположить, что с экологической точки зрения морские растительноядные фильтрующие беспозвоночные могут ускорять процесс биодеградацию искусственных полимеров. Это исследование даёт основание для переосмысления характера взаимоотношений между морскими организмами и и микропластиком, загрязняющим морскую среду.

Приморский гребешок, фото Александра Ратникова.

«Для оценки степени окислительной деструкции полимерной цепи пластиков, наблюдаемой в наших экспериментальных условиях мы количественно рассчитали содержание функциональных групп и представили их в виде соответствующих индексов: CI (карбонильный), HI (гидроксильный) и COI (карбоксильный). В целом, весь комплекс изменений, обнаруженный в экспериментальных образцах пластика, свидетельствует об окислительной деструкции полимерных цепей, что можно рассматривать в качестве первого этапа процесса его биодеградации. Поскольку в пищеварительном тракте морских беспозвоночных присутствуют сообщества специфических симбиотических микроорганизмов, остаётся вероятность того, что их ферменты участвуют в биодеградации пластика. Дальнейшие исследования в этом направлении должны быть направлены на установление роли симбиотических микроорганизмов в биодеградации пластика», - прокомментировал доктор биологических наук, заведующий Лабораторией морской экотоксикологии Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичёва ДВО РАН В.П. Челомин.