Характеризация бактериальной наноцеллюлозы, выращенной на мономерах полиэтилентерефталата (PET), с помощью рамановской и фурье-спектроскопии трансформированного инфракрасного излучения

Превращение пластиковых отходов в полезные волокна

Пластиковые бутылки и контейнеры для продуктов из PET повсюду, и крошечные фрагменты этого пластика теперь обнаруживают в океанах, почве и даже в наших организмах. В этом исследовании рассматривается творческий способ решения этой проблемы: использование бактерий для превращения строительных блоков PET в ультратонкие, биоразлагаемые целлюлозные волокна. Эти волокна, называемые бактериальной наноцеллюлозой, способны образовывать прочные, гибкие мембраны, которые потенциально могут заменить некоторые пластмассовые изделия в упаковке, медицине и повседневном использовании.

От растений к мини-заводам из бактерий

Целлюлоза — основной строительный материал растений и уже используется в бумаге, текстиле и многих промышленных продуктах. Но её добыча обычно связана с вырубкой лесов или выращиванием обширных монокультур. Некоторые бактерии, включая вид Komagataeibacter sucrofermentans, способны вместо этого синтезировать целлюлозу прямо из сахара в процессе ферментации, создавая сеть нанофибр тоньше сотни нанометров. Эта бактериальная наноцеллюлоза обладает привлекательными свойствами: она чистая (без растительных смол и лигнина), хорошо впитывает воду и может принимать форму гладких мембран, пригодных для упаковки продуктов или повязок для ран.

Кормление бактерий пластиковыми строительными блоками

Исследователи поставили вопрос: смогут ли эти бактерии использовать строительные блоки PET — этиленгликоль (EG) и динатриевую соль терефталевой кислоты (TPA) — вместо обычного сахара (глюкозы). Они культивировали K. sucrofermentans в трёх жидкостях, идентичных, за исключением источника углерода: в одной был глюкоза, в другой — EG, в третьей — TPA. Через три недели собрали и высушили целлюлозные пелликулы, плавающие на поверхности, и взвесили их. Удивительно, но наибольший выход дали культуры на EG — они произвели больше наноцеллюлозы на литр, чем глюкоза, тогда как TPA привёл к меньшему выходу. Это показывает, что по крайней мере часть углерода из мономеров PET может быть перенаправлена в полезный, биоразлагаемый материал.

Как выглядят волокна и насколько они упорядочены

Чтобы выяснить, какой материал образовался, команда фотографировала мембраны в сканирующем электронном микроскопе. Бактерии, получавшие глюкозу, дали плотный, ровный мат из тонких волокон с регулярными порами — признак хорошо организованного роста. EG и TPA привели к более рыхлым, нерегулярным сетям, при этом TPA сформировал наиболее разреженную и неравномерную структуру, скорее похожую на композит, чем на однородную плёнку. Измерения методом рентгеновской дифракции подтвердили это визуальное впечатление: волокна целлюлозы из глюкозы показали высокую кристалличность (плотную упаковку), обычно ассоциируемую с прочной и упорядоченной целлюлозой, тогда как волокна из EG были несколько менее упорядочены, а из TPA — значительно более дезориентированы.

«Прослушивание» молекул с помощью света

Учёные затем использовали два оптических метода — рамановскую и инфракрасную спектроскопию — чтобы «прослушать» вибрации молекул внутри мембран. Эти методы работают как отпечатки пальцев, показывая, какие связи присутствуют и насколько аккуратно упакованы цепочки. Все три образца продемонстрировали характерные сигналы целлюлозы, что доказывает: бактерии действительно построили ожидаемый полимер из каждого источника углерода. Но были и важные отличия: образцы на EG и TPA показывали более выраженные признаки неупорядоченных, аморфных областей, тогда как наноцеллюлоза на глюкозе демонстрировала более явные признаки упорядоченных кристаллических зон. В материале, воспитанном на TPA, дополнительные спектральные полосы соответствовали терефталатным группам, что указывает на то, что некоторые фрагменты, связанные с PET, остались захваченными в мембране и не были полностью превращены.

Что это значит для более чистых материалов

Проще говоря, исследование показывает, что определённые бактерии могут «поедать» части молекулярных остатков PET и преобразовывать их в листы целлюлозы, хотя качество этих листов сильно зависит от исходного сырья. Глюкоза по-прежнему даёт самые чистые и упорядоченные волокна, но EG в частности может увеличить количество получаемого материала, а TPA может быть по крайней мере частично трансформирован и одновременно интегрирован в целлюлозно-богатую плёнку. Подход пока не удаляет PET полностью — некоторые фрагменты, похожие на пластик, остаются и потребуют удаления — но он представляет перспективный путь к «био-апсайклингу», при котором стойкий пластик превращается в более безвредные материалы. С дальнейшей оптимизацией процесса и этапов очистки бактериальная наноцеллюлоза, выращенная на мономерах PET, может стать частью циркулярной системы, которая и управляет пластиковыми отходами, и поставляет устойчивые, высокоэффективные мембраны.

Цитирование: Eriksson, R., Mariam, I., Ramser, K. et al. Characterization of bacterial nanocellulose cultivated on polyethylene terephthalate (PET) monomers via raman and fourier transform infrared spectroscopy. Sci Rep 16, 13133 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46886-z

Ключевые слова: бактериальная наноцеллюлоза, апсайклинг PET, загрязнение пластиком, биоразлагаемые материалы, Раман и FTIR-анализ