Применение бактерий и грибков может способствовать связыванию парниковых газов, созданию более экологичных продуктов и очистке загрязнений - экономически выгодными и безопасными способами.
Микроорганизмы формируют Землю уже почти четыре миллиарда лет. Не менее триллиона видов микроорганизмов обслуживают биосферу - например, производят кислород или связывают углерод. Микробы процветают в экстремальных условиях и используют различные источники энергии - от метана до металлов. Они могут катализировать сложные реакции при температуре и давлении окружающей среды с поразительной эффективностью. Потенциал использования этих способностей микроорганизмов для существенного снижения воздействия человеческой деятельности на планету был признан многими. Бактерии и грибки уже используются для производства материалов, топлива и удобрений, что позволяет сократить потребление энергии и использование ископаемого топлива, а также для очистки сточных вод от загрязняющих веществ.
Однако, несмотря на их широкий потенциал, технологии на основе микробов остаются в тени международных планов по борьбе с изменением климата или сокращению потери биоразнообразия. Например, на конференциях ООН по изменению климата в 2023 и 2024 годах, а также по биоразнообразию в 2022 и 2024 годах обсуждение роли микробных технологий в создании альтернатив существующим продуктам и процессам было минимальным или вообще отсутствовало.
Чтобы лучше использовать микробиологию для решения проблем изменения климата и других задач устойчивого развития, Международный союз микробиологических обществ и Американское общество микробиологии собрали группу микробиологов, ученых в области общественного здравоохранения и экономистов, специализирующихся на вопросах здоровья, энергетики, парниковых газов, сельского хозяйства, почвы и воды. В ходе серии встреч они проанализировали, могут ли некоторые технологии на основе микробов, уже представленные на рынке, способствовать созданию устойчивых решений, которые будут масштабируемыми, этичными и экономически жизнеспособными. Были выявлены случаи, когда техническая осуществимость подхода уже была продемонстрирована и когда решения могут стать конкурентоспособными по сравнению с сегодняшними подходами уже через 5-15 лет.
Эта работа убеждает в том, что технологии на основе микроорганизмов открывают большие перспективы в качестве решений для борьбы с изменением климата и - благодаря снижению загрязнения и глобального потепления - с потерей биоразнообразия. Использование геномики, биоинженерных инструментов и достижений в области искусственного интеллекта значительно расширяет возможности исследователей по конструированию белков, микробов и микробных сообществ. Используя эти и другие подходы, микробиологи могут помочь в решении трех ключевых проблем.
Во-первых, многие продукты, производимые из ископаемого топлива (энергию, другие виды топлива и химикаты), можно производить, «подкармливая» микробов отходами пластмасс, углекислым газом, метаном или органическими веществами, такими как сахарный тростник или древесная щепа. Среди многочисленных компаний, применяющих решения на основе микробов для борьбы с изменением климата, - LanzaTech (США), компания по переработке углерода, которая работает над производством авиационного топлива в промышленных масштабах из этанола, получаемого при метаболизме микробами промышленных отходов или сахарного тростника. А компания NatureWorks (США) производит полимеры, волокна и биопластики с помощью микробной ферментации сырья, такого как маниока, сахарный тростник и свекла.
Во-вторых, микробы можно использовать для очистки загрязнений - от парниковых газов, сырой нефти, пластмасс и пестицидов до фармацевтических препаратов. Например, компания Carbios (Франция), разработала модифицированный бактериальный фермент, который расщепляет и перерабатывает полиэтилентерефталат (ПЭТ), один из самых распространенных одноразовых пластиков. Другая компания - Oil Spill Eater International (США) использует микробы для ликвидации разливов нефти, а крупные компании по утилизации отходов в Северной Америке используют бактерии, называемые метанотрофами, для переработки метана, образующегося на свалках (более мощного парникового газа, чем CO2), в этанол, биотопливо, полимеры, биоразлагаемые пластики и промышленные химикаты. Компания Floating Island International и(США) даже строит искусственные плавучие острова на озерах и водохранилищах, загрязненных в результате избыточного стока питательных веществ, чтобы метанобразующие микробы (которые обитают на подводной части островов) могли удалять метан, образующийся из озерных отложений. В этом случае цель состоит в том, чтобы превратить внутренние озера и водохранилища из чистых источников метана в поглотители углерода.
Наконец, микробы могут быть использованы для того, чтобы сделать производство продуктов питания менее зависимым от химических удобрений и, следовательно, более экологичным. Химический процесс, необходимый для производства аммиака для удобрений, предполагает сжигание ископаемого топлива для получения высоких температур и давления (до 500°C и 200 атмосфер), в результате чего в атмосферу ежегодно выбрасывается 450 мегатонн CO2 (1,5% всех выбросов CO2). Кроме того, избыток химических удобрений, попадающих в реки, озера и океаны, вызывает цветение водорослей, что усиливает выброс закиси азота - парникового газа, более мощного, чем CO2 или метан.
Многие бактерии и археи могут быть использованы для производства азотных удобрений с гораздо меньшими выбросами парниковых газов, чем синтетические удобрения. Это происходит потому, что микробы фиксируют азот при комнатной температуре и атмосферном давлении на уровне моря с помощью ферментов, известных как нитрогеназы, которые превращают атмосферный азот (N2) в аммиак (NH3). Несколько компаний сейчас продают биоудобрения - препараты, содержащие бактерии ризобии или другие микроорганизмы, которые могут увеличить доступность питательных веществ для растений. Растущее число микробных биопестицидов также предлагает производителям продуктов питания способ борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур без вреда для здоровья людей и животных и без выброса парниковых газов в атмосферу.
По мере появления на рынке все большего количества решений на основе микроорганизмов - как биоинженерных, так и существующих в природе - вопросы биобезопасности будут становиться все более важными. Многие решения, например, использование бактерий для разложения сырой нефти или пластика, доказали свою эффективность и безопасность в лабораторных условиях. Однако расширение масштабов их использования до уровней, необходимых для снижения глобальных выбросов или глобальной потери биоразнообразия, может привести к непредвиденным осложнениям.
Определенные меры предосторожности - создание бактерий, которые могут сохраняться в экосистеме только в течение короткого времени или существовать только в определенных условиях окружающей среды - уже разрабатываются и применяются. По аналогии с поэтапными клиническими испытаниями в биомедицинских исследованиях, за лабораторными экспериментами могут последовать испытания во внешней среде, за которыми могут последовать более масштабные полевые испытания. Исследователям также необходимо будет проводить мониторинг систем с течением времени, что может включать в себя секвенирование ДНК из сточных вод и другие подходы, используемые в эпиднадзоре за инфекционными заболеваниями. В конечном итоге для эффективного внедрения и мониторинга крупномасштабных решений на основе микробов научным сообществам, правительствам и корпорациям потребуется совместная разработка научно обоснованной политики и четкое и прозрачное информирование о колоссальных возможностях и потенциальных рисках.
Микробные решения и биопроизводство могут смягчить экономические потери, связанные с деградацией экосистем и утратой биоразнообразия, такие как наводнения, ураганы, вспышки болезней и перемещение населения в результате изменения климата. Их можно внедрять децентрализованно, с учетом особенностей каждого региона. Они также могут привести к росту бизнеса и рабочих мест. Таким образом, крайне важно убедить политиков, корпорации и правительства в жизнеспособности и целесообразности микробных подходов как на коммерческом, так и на общественном уровне.
На коммерческом уровне расчеты относительно просты. Чтобы решения были экономически обоснованными, доход, получаемый корпорацией от продажи биотоплива на основе микробов или другого вмешательства, должен быть равен или превышать затраты на его производство. Однако для того, чтобы решения были экономически целесообразными на уровне общества, «общая монетизированная стоимость» должна быть равна или превышать затраты на разработку и внедрение. Общая монетизированная стоимость включает в себя широкий спектр экономических, социальных и экологических выгод, и для ее расчета необходимо учесть экономические потери, связанные с изменением климата или потерей биоразнообразия, которые произошли бы без вмешательств.
Согласно докладу Lancet за 2024 год, к 2050 году глобальную экономику ожидает сокращение общего дохода на 11-29% из-за воздействия экстремальных погодных явлений, жары и загрязнения воздуха на здоровье и трудоспособность людей.
Экономические оценки решений на основе использования микроорганизмов должны учитывать риски, включая финансовую неопределенность, а также проблемы биобезопасности, и принимать во внимание тот факт, что люди оценивают будущие выгоды, которые появятся через годы или десятилетия, иначе, чем если бы они оценивали эти выгоды, если бы они появились сегодня. В оценках также должно быть признано, что такие мероприятия, скорее всего, будут способствовать укреплению здоровья, социального и экономического равенства.
Очевидно, что экономическая выгода от решений на основе микробов быстро растет. Например, ожидается, что мировой рынок биоудобрений вырастет с 1,59 млрд долларов США в 2025 году до 4,71 млрд долларов США к 2034 году при ежегодном росте в 12,9%. По прогнозам, рынок авиационного топлива на основе микроорганизмов вырастет с 0,9 млрд долларов США в 2024 году до 64,1 млрд долларов США к 2034 году, что означает ежегодный рост примерно на 53%. В то же время ожидаемые темпы роста рынка утилизационного газа, оцениваемого в 3,8 млрд долларов в 2024 году, составят 6,1% в год до 2034 года. (Метан, выделяемый на свалках, может быть преобразован микробами в этанол и использован в качестве биотоплива).
Необходима дальнейшая работа, в том числе анализ вероятных последствий производства и сбора сырья для производства удобрений, пестицидов и т. д. на основе микроорганизмов в промышленных масштабах. Кроме того, хотя есть уверенность, что вопросы биобезопасности могут быть решены, концепции и схемы работы с биологическими вмешательствами, особенно с биоинженерными организмами, в широкой окружающей среде находятся в зачаточном состоянии. Решения на основе микробов - это не "серебряная пуля" для решения взаимосвязанных кризисов климата и биоразнообразия. Тем не менее, они могут стать ключевым вкладом в создание прочной биоэкономики - но только в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная, ветровая, геотермальная, ядерная и гидроэнергетика.
Сегодня решения на основе микробов для получения топлива, энергии, удобрений, пестицидов и других полезных химикатов стремительно развиваются, несмотря на то, что стоимость их разработки и производства в настоящее время несколько выше, чем у технологий, основанных на ископаемом топливе. В отчете Министерства энергетики США за октябрь 2024 года стоимость биодизеля B99 на 10% выше стоимости обычного дизельного топлива. Однако такие затраты можно быстро снизить при поддержке решений на основе микробов со стороны государственного и частного секторов. На самом деле, при достаточных инвестициях технологии на основе использования микроорганизмов могут удовлетворить потребности всего рынка удобрений к 2050 году. Микробиологи также должны сотрудничать со всеми исследователями, занимающимися химическими и физическими решениями климатического кризиса.
