XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Биологические методы переработки пластика
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Создание пластика смело можно назвать одним из самых противоречивых достижений человечества. С одной стороны, это легкий, дешевый и прочный материал, без которого было бы невозможно развитие цивилизации. Когда речь идет о выгоде - пластик оказывается идеальным продуктом. С другой стороны, мало что отравляет экологию Земли так, как он.
Главная проблема заключается в длительности разложения пластика. Время полного распада одного полиэтиленового пакета составляет сотни лет. За этот срок он становится источником микропластика - мелких частиц, невидимых глазу, но накапливающихся в почве, водоемах и организмах животных и людей. Данные отходы приводят к гибели водных жителей, блокируют желудки рыб и птиц, вызывая голод и болезни [9].
В среднем каждый человек за неделю съедает пять граммов микропластика, что крайне негативно отражается на его здоровье. Мы пьем его, дышим им, полимерные микроволокна обнаруживают в глубинах океана и желудках птиц.
Пытаясь спастись от монстра, нами же и порожденного, мы создаем методы переработки — но у природы, возможно, есть другое решение: животные, способные спасти нас от пластика (Приложение1. рис.3).
Объект исследования: личинки жуков Zophobas morio.
Предмет исследования: способность Zophobas morio перерабатывать пластик.
Цель работы: Выяснить, способны ли зофобасы перерабатывать пластиковые отходы.
Нами были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературу по данной теме, используя разнообразные источники и интернет.
2. Провести эксперимент и выявить, могут ли личинки зофобаса питаться пластиковыми отходами.
Актуальность: Загрязнение окружающей среды пластиковым мусором — глобальная проблема мирового масштаба. Именно пластик во всех своих формах наносит непоправимый вред экологии.
Современный мир трудно представить без пластиковых изделий. Оглядевшись по сторонам, можно увидеть массу предметов из пластмассы, будь - то пишущая ручка, бутылка с водой или обычный полиэтиленовый пакет, который мы покупаем каждый раз, когда идем в супермаркет.
Данный пакет стал привычным элементом повседневной жизни многих людей, однако, неправильная его утилизация наносит колоссальный ущерб окружающей среде.
Основа такого пакета состоит из полимерного материала под названием полиэтилен. Его получают из нефти и природных газов. И хотя, пакеты из него можно переработать, это очень энергозатратный процесс.
За один год в мире используется 5 триллионов одноразовых пластиковых пакетов — это около 650 пакетов на каждого жителя Земли (включая младенцев и детей) или 160 000 пакетов в секунду. Однако, качественно переработать его очень сложно, а неправильная утилизация наносит колоссальный ущерб окружающей среде. В 2025 году британские ученые в научном журнале «Ланцет» опубликовали данные о том, что на планете накопилось более 8 тыс. мегатонн пластика, который скопился на стихийных свалках и в водах мирового океана, качественная переработка которого не представляется возможным. Все эти показатели делают мою работу особенно актуальной, поскольку она открывает новые возможности для нахождения экологических методов переработки пластиковых отходов.
Гипотеза: Личинки зофобас морио способны перерабатывать пластиковые отходы.
Методы: Теоретические: анализ и изучение информации по данной теме.
Практические: эксперимент, наблюдение, сравнение, фотографирование.
1. Теоретическая часть
1.1 Мировые и научные исследования о способности насекомых перерабатывать пластик
Исследования о способности мучного хрущака перерабатывать пластик проводились Аней Малави Брэндон и Вей-Мин Ву - учеными из Стэнфордского университета 2015 году. Проводя опыты с хрущаком, они выяснили, в течение 24 часов черви потребляют от 34 до 39 миллиграммов пластика, преобразовывая около половины в углекислый газ. Бактерии в кишечнике червей превращали другую половину в биоразлагаемый помёт. [9]
Эта же команда ученых проводила опыты с амбарными огневками. Они в свою очередь, оказались специалистами по «утилизации» полиэтилена — они способны съесть несколько миллиграммов пленки из этого вещества.
Способность утилизировать пластик гусеницами большой восковой моли обнаружилась совершенно случайно в 2017 году [5]. Одна из членов исследовательской команды Федерика Берточини из Института биомедицины и биотехнологий Кантабрии (Испания) сама является пчеловодом-любителем. Однажды она удаляла этих личинок моли (они являются паразитами) из сот в ульях — и складывала этих вредителей в пластиковый пакет, обычный пакет из магазина. Буквально через 40 минут Федерика с удивлением заметила, что пакет испещрён маленькими дырочками — гусеницы просто проели его (Приложение 2, рис. 5).
В 2021 году команда энтузиастов "Ксенос", состоящая из двух биологов и одного эколога из технопарка "Якутия" завела колонию большой восковой огневки в лаборатории и стала наблюдать, как личинка поедает пластик. Согласно исследованиям, пластик подвергается разрушению, благодаря действию внутренних бактерий личинки восковой огневки. Но потом они стали работать с жуками зофобас морио (zophobas morio) и обнаружили, что они в 3 раза быстрее поедают пластик, чем восковая огневка. Чтобы выяснить, как это происходит, их пару недель кормили только пластиком, а затем высушивали. Выяснилось, что они перерабатывают пластик на вторичные метаболиты и октакозан. Научные наблюдения показали, что достигнуть этого удавалось благодаря действию внутренних бактерий личинок жука зофобас морио. [6]
Еще одни насекомые, способные поедать пластик – мраморные тараканы. Способность мраморных тараканов переваривать некоторые полимеры также обнаружили якутские биотехнологи [4]. Тараканы хорошо справляются с полиуретановыми отходами. (Приложение 2, рис.3).
Из всех мировых исследований можно сделать вывод, что пластик в кишечнике насекомых перерабатывается с помощью бактерий и ферментов, которые находятся в их пищеварительной системе.
Проанализировав все мировые исследования, я пришел к выводу о том, что мои домашние питомцы жуки Zophobas morio идеально подходят для моей новой исследовательской работы: по данным мировых ученых они способны перерабатывать пластик, очень просты в содержании, легко и быстро размножаются и не требовательны в еде.
1.2 Описание видов насекомых, способных перерабатывать пластик
Большо́й мучно́й хруща́к (лат. Tenebrio molitor; другие названия: мучной жук, мучник) — насекомое из отряда жесткокрылых с полным превращением. Его личиночная форма называется мучные черви [3].
Мучные черви известны с древности, упоминались в сочинении Варрона «De re rustica» под название Tenebrion. Взрослая особь достигает 1,8 см в длину, личинка 2,5 см длиной, буро-жёлтого цвета. Самка откладывает на продуктах от 270 до 570 яиц, основное время откладки яиц — июль-август. Продолжительность жизни взрослой особи — 80–130 дней.
Места обитания: зернохранилища, склады, элеваторы, мельницы, комбикормовые заводы, кладовые. Для развития личинок большому хрущаку требуется высокая влажность.
Их рационом является и растительная, и животная пища, однако предпочитают эти жуки муку и отруби, особенно сырые и затхлые. Вредителями являются жуки и личинки (Приложение 2, рис.2).
Большая восковая моль, или огнёвка пчелиная (лат.Galleria mellonella),— вид молевидных бабочек из семейства настоящих огнёвок (Pyralidae). Вредитель медоносных пчёл. Встречаются всюду, где развито пчеловодство. Восковой молью также называют малую восковую моль (Achroia grisella) [2].
Длина 18—38 мм. Передние крылья коричнево-сероватые с коричнево-жёлтым задним краем и тёмными пятнами. Задние крылья светлее. Распространены всесветно. Гусеницы живут в ульях медоносных пчёл, где питаются воском. Взрослые бабочки не питаются; у них недоразвиты ротовые органы и органы пищеварения. Яйца имеют беловатый цвет и размер 0,35 на 0,5 мм, развиваются 5—8 суток. Из них выходит личинка длиной 1 мм с желтоватой головой и 8 ногами. Позднее они вырастают в гусениц длиной до 18 мм с буроватой головой. За весь период своего развития одна личинка моли может повредить сотни пчелиных ячеек. Через 25—30 суток гусеницы окукливаются, для чего находят трещину или щель, а иногда выгрызают ямку. Куколки в ходе созревания меняются в окраске с жёлтого на коричневый (их длина у самок — около 16 мм, а самцов — 14 мм). Взрослые бабочки живут 7—12 дней (самки) и 10—26 (самцы). (Приложение 2, рис.4)
Южная амбарная огнёвка, или индийская моль, или южная огнёвка или амбарная огнёвка (лат. Plodia interpunctella) — вид чешуекрылых из семейства настоящих огнёвок (Pyralidae). Единственный представитель рода Plodia. Бабочки имеют размах крыльев 16—20 мм и хорошо отличаются от других близких видов огнёвок прямыми губными щупиками и двуцветной окраской крыльев — беловато-жёлтой или серо-жёлтой в основании и ржаво-охристой или красно-коричневой в вершинных 2/3 передних крыльев [10]. Опасный вредитель запасов пищевых продуктов. Изредка встречается в гнёздах птиц. Гусеницы могут паразитировать в полостях тела и под кожей позвоночных. Эта огнёвка может провоцировать развитие анафилактической аллергии. Симбиотические бактерии, живущие в кишечнике гусениц, способны разрушать полиэтиленовую и поливинилхлоридную плёнку, и обеспечивают иммунитет к патогенным микроорганизмам. На стадии имаго не питается. Общая плодовитость составляет до 400 яиц. Космополитный и синантропный вид. (Приложение 2, рис.1)
Мраморный таракан. Обитают в Австралии, Африке, Америке. Чаще всего они встречаются в опавшей листве [7]. Иногда забираются к человеку в дом, поедают кошачий и собачий корм, хлебобулочные изделия и злаки. Поэтому представители данного вида считаются насекомыми-паразитами. В светлое время суток они прячутся в труднодоступных местах, укрытиях, а с наступлением сумерек отправляются на охоту. Насекомые передвигаются короткими перебежками и в случае малейшей опасности стараются скрыться в близлежащем убежище. Мраморные тараканы — теплолюбивые насекомые, которые не переносят холод. Даже непродолжительные заморозки могут уничтожить всю популяцию. Кроме того, тараканам необходима высокая влажность. Они селятся в местах, расположенных рядом с источниками воды. Продолжительность жизни мраморного таракана составляет 8-10 месяцев (Приложение 2, рис.3).
Zophobas morio (лат.) — вид жуков из семейства чернотелки, чьи личинки широко известны под названием зофо́бас. Часто используется искажённый вариант названия: «зоофобус». Исторической родиной вида является Центральная и Южная Америка. Жуки достигают длины 30—35 мм. Личинки длиной до 60 мм [1].
Жизненный цикл. Самка откладывает около 150—200 яиц. Длительность стадии яйца — 8—12 дней. Спустя 6—8 недель личинки перестают расти, а ещё через 5—6 недель окукливаются (окукливаются только в одиночестве). Длительность стадии куколки — 3 недели; средняя продолжительность жизни имаго (взрослой особи) — 10 месяцев.
Разведение.Zophobas morio считается наиболее простым в содержании кормовым насекомым. Зофобас разводится при комнатной температуре в пластиковой посуде (вёдрах, контейнерах) без запаха, заполненной слоем в 3—4 см не хвойной стружки. Для разведения необходимо использовать около 10 жуков разного пола (Приложение1, рис.5). В качестве корма можно использовать морковь, капусту, из сухих — геркулес, рис, пшено, гречиху и т. д. Когда в посуде с жуками начинают шевелиться личинки, имаго следует отсаживать в другую, поскольку при недостатке белка они могут поедать потомство.
Если черви зофобоса достигли примерно 60 мм и стали менее активными, значит, они готовятся к стадии куколки. Одна из особенностей данного вида в том, что личинки не могут окуклиться в «толпе» собратьев и будут до конца оставаться на этой стадии развития, просто прекратив увеличиваться в размерах. Для перехода на стадию куколки личинок следует отделить от группы, оставив в одиночестве. Перед самим окукливанием «червь» может пролежать таким образом около 1,5—2 недель, далее, сбросив верхний слой, превращается в куколку. Через 2—2,5 недели куколка превращается во взрослого жука, который поначалу бежевый, далее становится коричневым, а уже после — чёрным. Нового жука не следует подсаживать к уже развитым — альфа-самцы начинают борьбу, после которой неокрепший жук теряет все лапы и усы и погибает. Необходимо подождать пару-тройку дней, прежде чем пересаживать в общее место разведения.
Личинки зофобаса в промышленных масштабах производятся на птицефермах, где пищей для личинок служат мёртвые птицы, а сам зофобас, в свою очередь, служит кормом для птиц (Приложение 1, рис.4).
2. Практическая часть
2.1 Эксперимент по выявлению способности зофобаса к переработке пластиковых отходов.
Эксперимент 1. Одно из моих увлечений - содержание в домашних условиях экзотических животных. Для их питания, я постоянно приобретаю живой корм, такой как мучной червь, тараканы мраморные и туркменские, сверчки, личинки жуков зофобасов. Так как в нашем городе живой корм не продают, мы ездим за ним в город Курган, и в одну из поездок, я обратил внимание, что личинки зофобасов, упакованные в транспортировочный пакет, приехали домой в проеденном пакете. И меня это заинтересовало. Как личинки зофобаса смогли его проесть.
Я стал наблюдать и следить за ними, их состоянием, но личинки благополучно прошли весь жизненный цикл и превратились в имаго. И вот здесь мне пришла идея, провести эксперимент по изучение способности зофобаса к потреблению различного вида пластика.
В ходе первого эксперимента используются три вида пластика: целлофан, полиэтилен и полипропилен.
1. Каждый вид пластика помещается в отдельную чашку Петри и в каждую из них размещаются личинки Zofobas morio (Приложение 3, рис.1).
2. Чашки Петри оставляются на 15 часов (Приложение3, рис.2).
По прошествии 15 часов я увидел, что кусочки полиэтилена и целлофана были активно поедены личинками, а в чаше с полипропиленом - значительно меньше. Этот эксперимент показывал, что зофобасы могут поедать целлофан и ПЭТ, но полипропилен слишком твёрдый для них, поэтому они справляются с ним неохотно (Приложение 3, рис. 3,4,5).
3. Мои наблюдения подтверждаются вскрытием, которое я проводил при помощи имеющегося у меня микроскопа (Приложение 4, рис.1,4,3,5,6)
4. Затем зофобасы оставляются ещё на 15 часов, но уже без пластика (Приложение 3, рис.6)
5. После вскрытия наблюдается исчезновение пластика из желудков Zofobas morio. (Приложение 4, рис.2)
Я активно стал читать литературу и изучать информацию о способности данной бактерии перерабатывать пластик.
Мне было очень интересно узнать, каким образом личинки перерабатывают этот материал, ведь он не содержит никаких питательных веществ для их жизнедеятельности? Из найденных источников я узнал, что личинки используют для этого бактерии под названием Sphingobacterium, которые находятся в их кишечнике. Для этого, данные бактерии вырабатывают ферменты класса гидролаз, которые с помощью воды расщепляют пластиковый полимер на мономеры стирола, которые затем расщепляются внутри бактериальных клеток.
Перспективы применения данного способа переработки пластика.
Возможные направления:
Мини‑станции переработки; Промышленные биореакторы: использование выделенных бактериальных ферментов. Децентрализованная утилизация: применение в домохозяйствах и офисах.
Преимущества метода:
Низкие энергозатраты; экологичность (отсутствие токсичных выбросов); возможность переработки смешанного пластика.
Ограничения:
Скорость переработки ниже, чем у химических методов; необходимость поддержания популяции насекомых; избирательность к типам пластика.
Заключение
В ходе моего исследования была подтверждена гипотеза о способности личинок зофобоса к переработке пластика. Данный метод имеет перспективы для создания экологически-чистых технологий утилизации пластиковых отходов.
Поставленные мною задачи были выполнены, а цели-достигнуты. Но на этом я не планирую останавливаться, и продолжу работу над своим исследованием для того, чтобы создать наиболее экологичный способ помощи нашей планете по утилизации пластикового мусора.
Практическая значимость:
Информация, собранная в данной работе может быть использована как учителями, так и студентами естественно-научных факультетов.
Список литературы и интернет-источников
-
Zophobas morio — Википедия. [Электронный ресурс].-Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Zophobas_morio
-
Большая восковая моль. [Электронный ресурс].-Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Большая_восковая_моль
-
Большой мучной хрущак.[Электронный ресурс].-Режим доступа:
-
Живые существа, питающиеся пластиком.[Электронный ресурс].-Режим доступа: https://habr.com/ru/articles/762604/
-
Как «супер-черви» помогут перерабатывать пластиковые отходы .[Электронный ресурс].-Режим доступа: https://trends.rbc.ru/trends/green/62a9be389a794739ac85ee27?from=copy
-
Как личинки жуков помогут спасти Землю от загрязнения пластиком .[Электронный ресурс].-Режим доступа: https://www.pravda.ru/science/1751071-pozhirateli_plastika/
-
Мраморный таракан. [Электронный ресурс].-Режим доступа: https://zoo48.ru/animals/nasekomye/mramornyj-tarakan
-
Пластик способны поедать жуки и тараканы .[Электронный ресурс].-Режим доступа: https://ecosphere.press/2021/04/24/plastik-posobny-poedat-zhuki-i-tarakany/?ysclid=lbrzrsgrnj638280882
-
Пожиратели полимеров. В самом ли деле животные умеют переваривать пластик? .[Электронный ресурс].-Режим доступа: https://scientificrussia.ru/articles/pozirateli-polimerov-v-samom-li-dele-zivotnye-umeutperevarivat-plastik
-
Южная амбарная огнёвка.[Электронный ресурс].-Режим доступа: https://ru.ruwiki.ru/wiki/Южная_амбарная_огнёвка
Приложение 1.
Рис. 1 Рис. 2
Рис.5
Рис.3
Рис.4 Рис. 6
Приложение 2.
Рис.1 Рис. 2
Р ис.3 Рис. 4
Рис. 5
Приложение 3.
\
Рис.1 Рис.2
Рис. 3 Рис. 4 Рис. 5
Рис. 6
Приложение 4.
Рис.1
Рис.2 Рис. 3 Рис. 4
Рис. 5 Рис. 6