Ringmajanduse edendamiseks tehakse küll aina suuremaid pingutusi, kuid suur osa orgaanilisi jäätmeid satub ikka veel prügilasse. Jäätmete väärindamise võtmeks võivad olla pisikesed, kuid võimsad mikroorganismid – pärmseened.
Euroopa Liidu elanik tekitab aastas keskmiselt umbes 513 kilogrammi olmejäätmeid, millest üle poole ladustatakse prügimäele1. Märkimisväärne osa sellest on orgaaniline materjal. Sealhulgas on kahte tüüpi orgaanilisi jäätmeid, mida saaks täiendava jõupingutusega väärindada uuteks toodeteks. Selleks sobivad toidujäätmed ja lignotselluloosne biomass rohust ning aia- ja õuejäätmetest2.
Praegu käideldakse orgaanilisi jäätmeid peamiselt kompostimise teel. Teine hästi arenenud tehnoloogia, jäätmete energiaks muutmine, muudab ringlussevõetamatud jäägid kasutatavaks kütuseks, soojuseks või elektriks3. Selle tehnoloogiaga oleme ikkagi alles biopõhise väärtuspüramiidi esimesel astmel, mis esindab loodavatest toodetest madalaimat võimalikku väärtust (Joonis 1).
Lagunemise voorused
Kuigi inimestele toiduks kõlbmatud, on köögijäätmed heaks toiduks bakteritele, sest sisaldavad rasvu, valke ja süsivesikuid. Kasutades anaeroobsete (hapnikuta elavate) mikroorganismide segu, saame orgaanilised jäätmed muuta kütuseks. Anaeroobse kääritamise käigus läbitakse neli etappi, kus lõpptoodanguks on biometaan4.
Kahte viimast etappi vahele jättes saame liikuda alternatiivset teed pidi väärtuspüramiidi teise astmeni, kus paiknevad tarbekemikaalid. Selle protsessi käigus saadakse karboksüülhappeid, mille turuhind on 450-2800 € tonni eest (Joonis 2). Temperatuuri, happesust, toitaineid ja soolsust optimeerides saavad teadlased valmistada neid happeid suurtes koguses. Tootmistingimuste kontrollimine võimaldab neil ka pärssida metaani ja äädikhapete tootmist.
Lignotselluloosset biomassi, näiteks õuejäätmeid, saab ka tugevate kemikaalide abil väiksemateks molekulideks lagundada, kuid seda ainult ühes etapis: hüdrolüüsiga. Selle protsessi käigus saadakse ligniini ja suhkruid, peamiselt ksüloosi. See suhkrufraktsioon ei ole aga täiesti puhas, vaid sisaldab happeid ja furfuraali, värvituid õliseid vedelikke. Need aga enamiku mikroorganismide kasvu ei soosi.
Protsess muutub keerulisemaks
Nüüd kui meil on tarbekemikaalid, tasub väärtuspüramiidil veelgi kõrgemale sihtida. See eeldab veel ühe biotehnoloogilise protsessi juurutamist, mis hõlmab hapniku juuresolekul kasvava pärmi puhaskultuuri kasutamist. Puhaskultuur ei tohi saastuda teiste mikroorganismidega, seetõttu peab kasvamine toimuma steriilses keskkonnas, mis muudab protsessi töömahukamaks ja kulukamaks.
Järgmine keeruline ülesanne on leida pärm, mis talub lignotselluloosi hüdrolüüsist järele jäänud kemikaale, tarbib suhkruallikana ksüloosi ja kasvab anaeroobse kääritamise käigus tekkivatel karboksüülhapetel. Selline organism on olemas: Rhodotorula toruloides. See pärm toodab kasvamisel lipiide ja karotenoide. Lipiidid ei ole fossiilse diisli hinnaga võrreldes konkurentsivõimelised6 ning väärtuspüramiidi järgi pole ka kütus kõrge väärtusega toode. Sestap otsime õlidele teist rakendust. Näiteks võivad õlid olla tooraineks näiteks akrülaadi eelpolümeeride ja UV-kiirgusega kõvenevate kattekihtide tootmisel7.
Mikroobsete õlide talletamiseks tuleb pärmi toitainekeskkonnas piirata lämmastiku ja fosfori saadavust. Orgaanilistest jäätmetest lämmastiku ja fosfori eemaldamine on täiendav väljakutse. Mikroobsete rasvade madalapoolne väärtus koos eelnimetatud täiendavate kuludega muudab selle biotehnoloogilise suuna vähem ahvatlevaks, selle asemel keskendume R. toruloides'e karotenoidide tootmisele.
See pärm sisaldab karotenoididest kõige rohkem β-karoteeni, mis annab näiteks porganditele nende oranži värvi. β-karoteen on A-vitamiini (retinooli) väärtuslik prekursor, mis on oluline silmade tervisele, nägemisele, nahale ja immuunsüsteemile. Lisaks on sellel antioksüdantsed omadused ja see võib aeglustada kognitiivsete võimete langust8. Beetakaroteeni kasutatakse toidus ja söödas, toidulisandites, hügieeni- ja kosmeetikatoodetes. Praegu eraldatakse seda looduslikest allikatest või toodetakse keemilise sünteesi teel9. β-karoteeni turuhind jääb vahemikku 300–3000 USD kg kohta10.
Väärtuse kasvatamine
Sobiva mikroorganismi leidmine, mis suudaks kasvada orgaanilistel kõrvalsaadustel ja toota väärtuslikke aineid, on keeruline ülesanne. Looduses leiduvad mikroorganismid toodavad ihaldusväärseid tooteid tavaliselt vaid väikestes kogustes. Tootlikkuse suurendamine ja biotehnoloogilise tootmise skaleerimine nõuab ulatuslikku teaduslikku uurimis- ja arendustegevust. Laboris on aga meie eesmärk toota astaksantiini – kõige hinnalisemat karotenoidi.
Järgnevas etapis me ei rakenda täiendavat biotehnoloogilist protsessi, vaid kasutame geenitehnoloogia tööriistu, et parendada eelnevalt mainitud pärmi, Rhodotorula toruloides, omadusi. Beetakaroteeni tootmise asemel on nüüd meie eesmärgiks astaksantiini tootmine. Selle saavutamiseks võtame loodusest pärit metsiku pärmi ja rikastame seda kahe geeniga, mis on kopeeritud astaksantiini looduslikult tootvatest vetikatest. Kui suudame need geenid edukalt pärmi genoomi lõimida, saame rakus muuta β-karoteeni astaksantiiniks (Joonis 3).
Astaksantiin on punane karotenoid, mille turuhind on 2500–10 000 USD/kg 10. Sellel on tugevamad antioksüdantsed omadused kui β-karoteenil ning seda kasutatakse vesiviljeluses ja linnukasvatuses11, toidulisandina ja kosmeetikas10. Astaksantiin on sama molekul, mis annab näiteks lõhele punase tooni.
Viimastel aastatel on astaksantiini toimet uuritud kliinilistes uuringutes oksüdatiivse stressiga seotud haiguste ennetamise eesmärgil. Selliste haiguste hulka kuuluvad näiteks ägedad ja kroonilised põletikulised seisundid, ainevahetushaigused, südame-veresoonkonna haigused, kesknärvisüsteemi häired ja soolestiku terviseseisundid. Lisaks on astaksantiini uuritud ka selleks, et hinnata selle mõju treeningu ja kehalise sooritusvõime parandamisele. 11.
Esialgsed tulemused on paljulubavad, tuues esile astaksantiini täiendavad potentsiaalsed eelised. Praegu turul saadaolevast astaksantiinist sünteesitakse suurem osa keemiliselt, kuid osa toodetakse ka vetikatest. Geneetiliselt muundatud pärmi kasutamine võib aidata meil liikuda jätkusuutlikkuse poole, tõusta biopõhise väärtuspüramiidi kõrgeimale tasemele. Kui oleme tippu jõudnud, saame süsinikuahela sulgeda (Joonis 4).
Ringi sulgemine
Tänapäeval räägitakse üha enam üleminekust lineaarmajanduselt ringmajandusele. Lineaarmajanduse mudel on meile jätnud probleemid prügilates kuhjuvate jäätmete, kasvuhoonegaaside ülemäärase heitkoguse ja globaalse reostuse näol. Bioloogilisest vaatenurgast on ringlus aga loomulik ja loogiline protsess, mis on meie planeedil alati eksisteerinud. Selle heaks näiteks on süsinikuringlus (Joonis 5).
Süsinik ei ole mõeldud ladestumiseks lagunemata kujul prügilas. Teadlaste eesmärk on üleminekul lineaarmajanduselt ringmajandusele võtta aluseks loodusseadused. Olemasolevaid ressursse kasutades saame liikuda tahkete olmejäätmete orgaanilise fraktsiooni töötlemiselt väärtuslike karotenoidide tootmiseni. See näitab, kui kaugele on biotehnoloogia ja molekulaarbioloogia hiljutised edusammud meid viinud.
Kasutatud allikad
1 Eurostat: Municipal waste statistics
2 Organic Fraction of Municipal Solid Waste: Overview of Treatment Methodologies to Enhance Anaerobic Biodegradability
3 Municipal Solid Waste Management and Disposal
4 Anaerobic digestion
5 Complex Effluent Streams as a Potential Source of Volatile Fatty Acids
6 Rhodotorula toruloides: an ideal microbial cell factory to produce oleochemicals, carotenoids, and other products
7 One-Step Synthesis of Novel Renewable Vegetable Oil-Based Acrylate Prepolymers and Their Application in UV-Curable Coatings
8 All you need to know about beta carotene
9 Beta-carotene Market Size & Trends
10 Commercialization and Marketing Potential of Carotenoids
11 Astaxanthin: Past, Present, and Future
Autor tänab Kaisa Orgusaart esimese mustandi retsenseerimise ja tõlke eest.
Artikkel on koostatud ingliskeelsetele tudengitele suunatud konkursi "Teadus 3 minutiga raames" ja ilmus ingliskeelsena portaalis Research in Estonia (toimetaja Jaan-Juhan Oidermaa).