Наукова робота. Створення поживного середовища для культивування бактерій, здатних до біологічної утилізації пінополістиролу

Роботу виконала:
Борис Аліна Михайлівна,
учениця 11Б класу
Криворізького Центрально-Міського ліцею
Криворізької міської ради Дніпропетровської області

Науковий керівник:
Бондаренко Наталія Олегівна
вчителька біології та хімії
Криворізького Центрально-Міського ліцею
Криворізької міської ради Дніпропетровської області,
лауреатка IV Всеукраїнського Інтернет-конкурсу 
„УЧИТЕЛЬ РОКУ–2019” за версією
науково-популярного природничого журналу
„КОЛОСОК” у номінації „Хімія”

ВСТУП

Глобальне потепління стало основною причиною того, що кожен рік позначки на наших термометрах б’ють температурні рекорди. Вчені помітили, що  наша атмосфера помітно потеплішала і цей процес продовжується. Лише за останні 100 років середньорічна температура підвищилась щонайменше на 0,3 – 0,6^оС.

Глобальне потепління пояснюють збільшенням парникового ефекту. Люди своєю діяльністю посилюють цей ефект за рахунок викидів СО₂, СН₄, та інших газів. Протягом останніх 100 років в результаті людської діяльності викид СО₂ в атмосферу становить приблизно 66% від сумарних, а СН₄ – 18%.

Значна кількість вуглекислого газу(СО₂) та метану (СН₄) утворюється під час розкладання полімерних відходів. Виробництво виробів із пластику збільшується рік від року, які не просто засмічують навколишнє середовище, але і забруднюють його.

Рівень розвитку суспільства оцінюється виходячи з того, як утилізуються відходи. Але не варто забувати і про технологічно трудомісткий процес, про його прямий вплив на навколишній світ. Особливість утилізації відходів пластмас пов’язана з такими причинами:  багатоскладовий і різнобічний хімічний склад, тривалий період розпаду.

Більшість пластикового сміття без проходження переробки утилізується на полігонах, а їх масштаби  теж мають границі. Тому утилізація та переробка пластмаси – гостра життєва проблема сучасного суспільства. Вона штовхає хімічну галузь на пошук сучасних рішень питання.

Мета дослідження: дослідити можливість культивування мікроорганізмів, що здатні утилізувати пінополістирол, в домашніх умовах на штучних поживних середовищах.

Для досягнення мети були поставлені наступні завдання:

1. Опрацювати літературні джерела з даної теми.
2. Підготувати та провести експериментальне дослідження в домашніх умовах.
3. Підготувати поживне середовище для культивування бактерій з метою утилізації пінополістиролу.
4. Виявити групи мікроорганізмів, що можуть виступати біоутилізаторами пінополістиролу

Методи дослідження: експеримент.

Об’єкт дослідження: мікроорганізми, що містяться в кишківнику личинок Мучних хрущаків, личинки Мучні хрущаки Tenebrio molitor.

Предмет дослідження: культивування мікроорганізмів на штучних поживних середовищах, умови за яких Мучні хрущаки Tenebrio molitor можуть бути біоутилізаторами пінополістиролу.

Гіпотеза дослідження: мікроорганізми, що мешкають в кишківнику личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor, можна виростити на штучному поживному середовищі з метою культивування для біоутилізації пінополістиролу.

РОЗДІЛ І. МЕТОДИ УТИЛІЗАЦІЇ ПОЛІМЕРІВ.

1.1 Утилізація полімерних відходів

Синтетичні полімери (пінопласт, поліетилен) зробили революцію в нашому способі життя, але їх застосування створює ряд проблем. По-перше, синтетичні полімери отримують з не відновлюваних ресурсів; по-друге, – застосування не руйнуючих в природному середовищі пластиків і їх накопичення ведуть до забруднення навколишнього середовища і створюють глобальну екологічну проблему. Поліетилен, як і пінопласт, раніше вважався біонеутилізуючим неорганічним відходом. За підрахунками британського центру екологічної освіти WRAP, річний обсяг пластикових відходів в світі збільшився з 5 мільйонів тон в 1950-х роках, до 100 мільйонів за даними за минулий рік. Тільки 24% пластика, викинутого в 2014 році, було відправлено на переробку.

Обсяги випуску синтетичних пластмас, одержуваних в процесах нафтосинтезу величезні, на сьогоднішній день вони досягли 180 млн. т на рік і щорічно зростають приблизно на 25 млн. При цьому основна їх частина складується на звалищах, так як повторній переробці в розвинених країнах піддається не більше 16-20%.

В даний час для очищення навколишнього середовища від пластмасових відходів активно розробляються два основних підходи: захоронення і утилізація.

Захоронення пластмасових відходів – це «бомба уповільненої дії» і перекладання сьогоднішніх проблем на плечі майбутніх поколінь. Крім того, під полігони та сміттєзвалища твердих побутових відходів щорічно віддається до 10 тис. га земель, у тому числі і родючих, що вилучаються із сільськогосподарського обігу.

Можливі шляхи скорочення гігантських відходів синтетичних пластиків – це утилізація, яку можна розділити на ряд головних напрямків: спалювання, піроліз, рециклізація і переробка.

Однак як спалювання, так і піроліз пластмас кардинально не покращують екологічну обстановку. Більш того, спалювання – це дорогий процес, до того ж ще і приводить до утворення високотоксичних, а також супертоксічних (таких, як фурани і діоксини) з’єднань.

Повторна переробка пластмас певною мірою вирішує це питання, але це вимагає значних трудових і енергетичних витрат, так як для цього необхідні наступні дії: відбір з побутового сміття пластичної тари і упаковки, поділ зібраних відходів за видом пластиків, мийка, сушка, подрібнення і тільки потім переробка в новий полімерний виріб.

Необхідність проведення заходів для рециклізації пластмасових відходів, особливо з тари і упаковки, в ряді країн закріплена законодавчо. У країнах ЄС законодавчі ініціативи та акти зобов’язують виробників пластмасової упаковки використовувати при цьому до 15% в якості сировини вторинні пластмаси. Так, для Німеччини ця квота становить 50% і повинна збільшитися до 60%. Пов’язано це з тим, що поховання і спалювання не вирішують проблеми рецикла багатомільйонних синтетичних відходів, і їх акумуляція в біосфері загрожує глобальною екологічною катастрофою [3,5].

1.2 Біологічна утилізація пінополістиролу

Незвичайне відкриття було зроблене вченими з Дослідницького центру Стенфордського університету в США. Мучні хрущаки Tenebrio molitor можуть стати порятунком планети від найпоширенішого виду відходів – пластику.

Мікроорганізми, що мешкають в травному тракті Мучних хрущаків Tenebrio molitor здатні до біопереробки пластику. Таким чином, Мучні хрущаки Tenebrio molitor можуть виживати, харчуючись виключно відходами з пінопласту і полістиролу.

В одному з експериментів, 100 Мучних хрущаків Tenebrio molitor поглинули від 34 до 39 міліграмів пінопласту. Мучні хрущаки Tenebrio molitor переробили половину пінопласту в вуглекислий газ, а залишки були виділені у формі біомаси. При цьому, показники здоров’я хрущаків, які споживали тільки пінопласт, не відрізнялися від тих, що їли органічну їжу. Відходи Мучних хрущаків Tenebrio molitor могли б бути використані для добрива рослин [Електронний ресурс].

1.3 Порівняльна характеристика різних методів утилізації пінополістиролу

Проаналізувавши переваги і недоліки різних методів утилізації пінополістиролу, результати аналізу занесли до таблиці 1.1

Таблиця 1.1

Порівняння існуючих на сьогодні методів утилізації полімерів

Висновки: Можливі шляхи скорочення гігантських відходів синтетичних пластиків – це утилізація, яку можна розділити на ряд головних напрямків: спалювання, піроліз, рециклізація і переробка.

Однак як спалювання, так і піроліз пластмас кардинально не покращують екологічний стан. Більш того, спалювання – це дорогий процес, до того ж ще і приводить до утворення високотоксичних, а також супертоксічних (таких, як фурани і діоксини) з’єднань.

Біоутилізація – новий малодосліджений перспективний шлях  покращення екологічної ситуації з пластиками.

РОЗДІЛ 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖННЯ 2015-2016 РОКІВ

2.1 Біологічні особливості Мучного хрущака Tenebrio molitor

Личинок Tenebrio molitor розводять як кормовий об’єкт, який подають як їжу для птахів, риб, і тварин тераріумів, на приклад черепахам і ящіркам, членистоногим.

Приблизні терміни розвитку:

Життя жука: до 3-х місяців.

Розвиток яйця: до 2-х тижнів.

Розвиток личинок: 2 – 4 місяці (в залежності від температури).

Розвиток лялечок: 2 – 3 тижні.

Розвиток 1 покоління займає 105 – 675 днів.

Плодючість самки близько 130 – 350 яєць.

Середовище існування:

Tenebrio molitor зустрічаються на борошняних складах та пекарнях. І є шкідником зерна, крупи, борошна, крохмалю, різних борошняних виробів. Жуки і личинки завдають шкоди, забруднюючи продукти харчування своїми екскрементами і личинковими шкірками.

У природному середовищі, Tenebrio molitor з’являються пізньою весною або раннім літом. Дорослий жук живе в середньому 30-90 днів. Зимує зазвичай у фазі личинки.

Щоб повністю розвинулось одне покоління Tenebrio molitor у природі потрібно 1 – 1,5 року.

Опис:   Яйця.У природному середовищі існування самка відкладає від 130 до 350 яєць. Довжина яйця становить: 1,60-1,80 мм. Форма: овальна. Колір: молочно-білий, блискучий. Стадія розвитку яйця при нормальних умовах становить: 10-14 днів.

Личинки. Довжина личинки становить 20-30 мм, а ширина 3-6 мм. Колір спочатку білого, потім світло-жовтого, далі жовто-бурого. Личинка тверда, володіє трьома парами вкорочених грудних ніг. Личинка не має очей. Добре розвинені верхні щелепи і ноги.

Личинки розвиваються відносно довго, особливо у неопалюваних приміщеннях. У процесі розвитку вони линяють до 25 разів, а час розвитку може тривати більше 600 діб. Стійкі до знижених температур. Можуть зимувати при температурі від 5 до 0°C. При температурі -5°C гинуть протягом 3 місяців. Сприятлива температура для розвитку 21 – 28°C.

Жуки. Довжина жука становить від 13 до 18 мм. При виході жука з лялечки, хітин спочатку білого кольору, а в міру твердіння набуває темно-коричневого або чорного кольору зі світлим блиском. Як правило нижня сторона жука і ноги червоно-бурого кольору. Голова у Tenebrio molitor втягнута в груди. Мучний хрущак має добре розвинені крила і добре літає [2,4].

2.2 Дослідження біологічного методу утилізації пінопласту 2015 року

У 2015 році, знайшовши статтю про те, що мучний хрущак здатен харчуватися пінопластом, ми вирішили провести подібний дослід в дома. Посадили 10 мучних хрущаків на пінопласт розміром 5см х 5см на 7 тижнів, не даючи їм їжі, зрідка воду. Дані отримані під час експерименту систематизували у таблицю 2.1

Таблиця 2.1

Результати дослідження з мучними хрущаками (2015 рік)

З цього експерименту ми з’ясували, що мучні хрущаки дійсно можуть харчуватися пінопластом (у разі якщо їм не надається іншого вибору).

Свої дослідження ми поетапно фотографували. Результати викладанні у вигляді фотознімків в додатку А.

2.3. Дослідження біологічного методу утилізації пінополістиролу 2016 року

Експериментальне дослідження 2015 року поставило ряд питань, а саме:

• Чи будуть Мучні хрущаки Tenebrio molitor вживати в їжу пінополістирол за умови наявності іншого корму?
• Чи впливає на зміну маси личинки чим вона харчується: пінополістиролом, пінополістиролом з субстратом, чистим субстратом?
• Чи засвоюється пінополістирол в шлунку личинок, чи просто виходить з фекальними масами?
• Чи завершать вони цикл розвитку до дорослої особини?

1) Щоб перевірити чи будуть личинки Мучного хрущака Tenebrio molitor їсти пінополістирол за наявності іншої їжі провели наступний дослід:

1. Посадили 10 личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor на пінопласт розміром 5см х 5см, без іншої їжі (Зразок 1);
2. Посадили 10 личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor на пінопласт розміром 5см х 5см із зерновим субстратом (Зразок 2);
3. За контрольний зразок взяли личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor, які не вживали в їжу пінопласт, а харчувалися лише зерновим субстратом (Зразок 3);
4. Спостерігали за зміною зовнішнього виду пінополістиролу у перших двох зразках;
5. Виклали фотознімки дослідження у Додаток Б.
6. Після місяцю проведення експерименту личинки з першого зразка відмовились вживати в їжу пінополістирол та почали вмирати.

2) Зважили пінополістирол та личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor, у кількості 10 штук з кожного зразків 1 та 2, перед початком експерименту та після двох тижнів проведення.  Дані систематизували у таблицю 2.2

Таблиця 2.1

Зміна ваги пінополістиролу та личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor

3)  Для того, щоб перевірити чи засвоюється пінополістирол Мучним хрущаком Tenebrio molitor, провели розтин личинок із зразків 1 та 2, після двох тижнів проведення експерименту. Під час розтину не перетравлених решток пінопласта  у шлунках личинах Мучного хрущака в обох зразках не було виявлено. 

Рис.1.1. Розтин личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor

4)  Після 2 місяців проведення експерименту 2 личинки Мучного хрущака  Tenebrio molitor із зразка 2 перейшли у наступну фазу – жук. Порівнявши зовнішній вигляд жуків із зразку 2 зі жуками з зразку 3, відмінностей не було виявлено.

Рис.1.2. Порівняння дорослих особин за зовнішнім виглядом

2.4 Результати дослідження

• Мучні хрущаки харчуються пінополістиролом навіть за наявності іншого корму.
• Зважування личинок показало, що личинки, які вживали в їжу пінополістирол з зерновим субстратом (зразок 2) трохи більші за розміром.
•  Личинки зразку 2 закінчили цикл розвитку до дорослих особин швидше за зразок 1. Частина личинок зразку 1 загинула через 4 тижні після початку експерименту.
• При розтині не виявлено неперетравлених частинок пінополістиролу в обох зразках.
• Дорослі особини контрольного зразку та зразку 2 за зовнішнім виглядом не відрізняються.

Висновки:

Личинок  мучного хрущака Tenebrio molitor можна використовувати в якості біоутилізатора  пінополістиролу за наявності іншого корму, який дає личинкам речовини необхідні для їхнього розвитку. Пінополістирол перетравлюється личинками повністю.

РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖННЯ 2017 РОКУ

3.1 Створення поживного середовища для вирощування мікробіоти

В якості поживного середовища для вирощування мікроорганізмів ми вирішили взяти вівсяні висівки:

1. Залили вівсяні висівки кип’яченою дистильованою водою.
2. Отриманий розчин пропустили через фільтрувальний папір.
3. Додали невелику кількість агар-агару.
4. Розлили отриманий розчин у чашки Петрі.
5. Налили кип’ячену дистильовану воду в 3 колбі по 10мл.
6. Провели розтин личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor.
7. Додали вміст кишківника личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor в колбу 1.
8. Розчин із колби 1 нанесли у чашки Петрі 1.1 та 1.2(з пінопластом).
9. Додали в колбу 2 5мл розчину із колби 1.
10. Нанесли розчин із колби 2 у чашки Петрі 2.1 та 2.2(з пінопластом)
11. Із колби 2 взяли 5мл розчину та добавили в колбу 3.
12. Нанесли розчин із колби 3 у чашки Петрі 3.1 та 3.2(з пінопластом)
13. За контрольний зразок взяли чашку Петрі 0 без розчину вмісту кишківника личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor.
14. Через 1 тиждень сфотографували отримані результати та виклали їх в Додатку В.

3.2 Визначення мікроорганізмів, що виросли на поживному середовищі

Провели фарбування за Грамом для визначення  виведених мікроорганізмів.

1. Продезінфікували предметні скельця.
2. Нанесли 1-2 каплі води на предметні скельця.
3. Нанесли невеликим шаром досліджуваний зразок, за допомогою бактеріологічної петлі.
4. Зафіксували зразок, проводячи предметне скло над полум’ям пальника.
5. Помістили предметне скло в лоток для фарбування.
6. Нанесли на зразок розчин кристалічного фіолетового на 30-60 секунд.
7. Змили водою розчин кристалічного фіолетового.
8. Нанесли на зразок йод на 60 секунд, потім змивши водою.
9. Додали знебарвлювальну речовину(етанол) і відразу змили його.
10. Нанесли на зразок розчин фуксину на 45 секунд, потім змивши водою.
11. Висушили предметні скельця.
12. Дослідили зроблені зразки під світовим мікроскопом.
13. Виклали фотознімки в Додатку Г.

На фотознімках ми бачимо мікроорганізмів кулястої форми з фіолетово-синім забарвленням. На основі цих результатів ми можемо припустити, що це або бактерії роду  Сосcus або одноклітинні гриби Actinomycatales.

Також ми дослідили пінополістирол із зразків 1.2, 2.2 та 3.2 і виявили мікроорганізми кулястої форми на них. Це дозволяє нам зробити припущення, що виведені нами мікроорганізми дійсно харчуються пінополістиролом, а знчить можуть бути його утилізатором.

3.3 Результати дослідження 2017 року.

1. Мікроорганізми кишківника личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor типу Firmicutes: грам позитивні бактерії Streptococcus та одноклітинні гриби Actinomycatales можна виростити на штучно створеному поживному середовищі.
2. Мікроорганізми кишківника личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor дві групи мікроорганізмів типу Firmicutes: грам позитивні бактерії Streptococcus та одноклітинні гриби Actinomycatales можна використовувати в якості біоутилізаторів пінополістиролу.

ВИСНОВКИ

1. Можливі шляхи скорочення гігантських відходів синтетичних пластиків – це утилізація, яку можна розділити на ряд головних напрямків: спалювання, піроліз, рециклізація і переробка.

Однак як спалювання, так і піроліз пластмас кардинально не покращують екологічний стан. Більш того, спалювання – це дорогий процес, до того ж ще і приводить до утворення високотоксичних, а також супертоксічних (таких, як фурани і діоксини) з’єднань.

Біоутилізація – новий малодосліджений перспективний шлях  покращення екологічної ситуації з пластиками.

2. За результатами дослідження 2015 року встановлено, що мучні хрущаки дійсно можуть харчуватися пінопластом, навіть при наявності іншої їжі. За розрахунками майже 3% від маси пінопласту виявлялося ув’язненим в клітинну масу личинок. А це дозволяє зменшити час на його розкладання. І значить Мучні хрущаки Tenebrio molitor можуть бути біоутилізаторами пінополістиролу.
3. Після проведення експерименту було виявлено, що личинки Мучного хрущака Tenebrio molitor можуть харчуватися пінопластом . Личинок мучного хрущака Tenebrio molitor можна використовувати в якості біоутилізатора пінополістиролу за наявності іншого корму, який дає личинкам речовини необхідні для їхнього розвитку . Пінополістирол перетравлюється личинками повністю.
4. За результатами дослідження 2017 року встановлено, що штами мікроорганізмів, що живуть в кишківника личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor типу Firmicutes: грам позитивні бактерії Streptococcus та одноклітинні гриби Actinomycatales можна виростити на штучно створеному поживному середовищі в якості утилізаторів  пінополістиролу.

СПИСОК ВИКОРИСТАННИХ ДЖЕРЕЛ

1.) Максішко Л. М. Біологічна утилізація асоціацією біологічно корисних мікроорганізмів / Л. М. Максішко, О. Г. Малик. // Науковий вісник Львівського національного університету ветеринарної медицини та біотехнологій ім. Ґжицького. – 2012. – Т. 14, № 3(2). – С. 353-361. – Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/nvlnu_2012_14_3(2)__65

2.) Плавильщиков Н. Н. Определитель насекомых: Краткий определитель наиболее распространённых насекомых европейской части России. — М.: Топикал, 1994

3.) Полистирол. Физико-химические основы получения и переработки, М., 1975; Энциклопедия полимеров, т. 3, М., 1977, с. 533-47;

4.) Фауна Украины. Том 19. Жесткокрылые. Випуск 10. Л.С.Черней. Жуки-чернотелки. Киев, 2005 С.178.

5.) Шульпин Г. Эти разные полимеры // Наука и жизнь. — 1982. — № 3. — С. 80—83.

Електронні ресурси

http://ppcorn.com/ru/2015/10/07/plastic-eating-worms/

https://geektimes.ru/post/263280/

http://ecowars.tv/info/3965-pravovoy-rezhim-kontrterroristicheskoy-operacii.html

http://www.eco-live.com.ua/content/blogs/globalne-poteplinnya

ДОДАТОК А

Фотознімки експерименту з Мучним хрущаками  Tenebrio molitor 2015 р.

Рис. А 1.1. Зовнішній вигляд личинок

Рис. А 1.2. Початок експерименту

Рис . А 1.3. 1 тиждень експерименту 10.10.15

Рис. А 1.4. 2 тиждень експерименту 17.10.15

Рис. А 1.5. 3-4тиждні експерименту 24.10.15-31.10.15

Рис. А 1.6. 5-6тиждні експерименту 7.11.15-14.11.15

Рис. А 1.7 7 тиждень експерименту 21.11.16

ДОДАТОК Б

Експеримент з личинками Мучного хрущака Tenebrio molitor 2016 р.

Зразок 1

Рис. Б 1.1. Початок експерименту 09.10.16

Рис. Б 1.2

Зразок 2

13.12.16

Рис. Б 2.1. Початок експерименту

Рис. Б 3.1. Зовнішній вигляд Мучних хрущаків Tenebrio molitor

ДОДАТОК В

Створення поживного середовища для вирощування мікроорганізмів кишківника личинок Мучного хрущака Tenebrio molitor

Рис. В 1.1. Створення поживного середовища

Рис. В 1.2

Рис. В 1.3

Рис. В 1.4

ДОДАТОК Г

Дослідження отриманих зразків під мікроскопом

Рис. Г 1.1

Рис. Г 1.2

Рис. Г 1.3

Рис. Г 1.4

Редакція може не поділяти думку авторів і не несе відповідальність за достовірність інформації. Будь-який передрук матеріалів з сайту може здійснюватись лише при наявності активного гіперпосилання на e-kolosok.org, а також на сам матеріал!