Современные вызовы в области экологии и ресурсосбережения стимулируют поиск инновационных технологий переработки отходов в ценные продукты. Одним из перспективных направлений является переработка человеческой мочи — биологического материала, богатого питательными веществами, такими как азот и фосфор. Традиционные методы восстановления этих элементов предполагают получение удобрений с невысокой рыночной стоимостью, а значит, ограниченным экономическим потенциалом. Однако команда ученых разработала революционную биотехнологическую платформу, основанную на синтетических остеодрожжах, которая способна трансформировать мочу в гидроксиапатит — востребованный биоматериал с высокой добавленной стоимостью. Гидроксиапатит — это минерал кальция и фосфата, входящий в состав костей и зубов животных и человека.
Его уникальные свойства, такие как биосовместимость, прочность и способность адсорбировать тяжёлые металлы и фториды, делают его незаменимым в медицине для ортопедии, стоматологии, а также в экологической сфере для очистки воды и промышленной переработки. Рынок гидроксиапатита прогнозируется к значительному росту, что стимулирует интерес к разработке низкозатратных и экологичных способов его производства. Ключевой инновацией стало создание синтетической платформы, именуемой остеодрожжами, на основе дрожжевого организма Saccharomyces boulardii. В отличие от обычных дрожжей, этот штамм проявляет высокую устойчивость к изменениям pH и способен функционировать в условиях с высокой концентрацией ионов кальция и фосфата. Микроорганизм был генетически модифицирован для повышения активности фермента уреазного типа — уреамидолазы, который расщепляет содержащийся в моче мочевину, повышая щелочность окружающей среды и активируя внутриклеточные механизмы накопления кальция и фосфата.
В природных организмах, таких как остеобласты, происходит формирование гидроксиапатита посредством накопления аморфной формы кальций-фосфатных комплексов внутри лизосомоподобных органелл — вакуолей, которые затем секретируются во внеклеточную среду, где минералы кристаллизуются в устойчивые структуры. Аналогично, в разработанной платформе остеодрожжевых клеток путем контроля противотока ионов H+ и Ca2+ в вакуолях создаются условия для накопления аморфного кальций-фосфата. Затем посредством секреции внеклеточных везикул эти комплексы высвобождаются и преобразуются в кристаллический гидроксиапатит. Высокая эффективность преобразования мочи в гидроксиапатит подтверждена многочисленными экспериментами. Уровень продукции превышает 1 грамм гидроксиапатита на литр раствора, что является значительным достижением для биоразработок такого рода.
Продукт, выделенный из культур, продемонстрировал сходство с костной тканью по структуре и составу, что подтверждено методами рентгеноструктурного анализа (XRD), электронной микроскопии (TEM) и спектроскопии. Кроме эффективности, важным аспектом является экономическая целесообразность технологии. Технико-экономический анализ, проведенный с моделированием масштабного городского внедрения, показал, что производство гидроксиапатита из мочи может приносить стабильную прибыль при коммерческом сбыте материала. Стратегия распределенного производства с использованием множества небольших реакторов в городской среде позволяет минимизировать затраты на транспортировку и хранение сырья. Главными статьями расходов являются эксплуатационные расходы на поддержание культур и последующую переработку осадков, но даже с учетом этих факторов себестоимость продукции остается конкурентоспособной по сравнению с традиционными методами получения гидроксиапатита.
Экологические выгоды от использования синтетической остеодрожжевой платформы также значительны. Переработка человеческой мочи с выделением гидроксиапатита способствует снижению нагрузки на очистные сооружения, уменьшению выбросов парниковых газов, сокращению потребления пресной воды и снижению риска эвтрофикации водоемов. Таким образом, технология способна внести вклад в решение глобальных проблем устойчивого использования водных ресурсов и управления отходами. Перспективы дальнейшего развития включают оптимизацию генетического конструкта дрожжей для увеличения эффективности продукции, улучшение условий ферментации, масштабирование производства и разработку методов повышения чистоты и специфичности гидроксиапатита с целью удовлетворения требований различных индустриальных сегментов. Дополнительно возможны исследования по модификации внеклеточных везикул для управления размером и морфологией получаемого материала, что расширит спектр его применения.
Разработка остеодрожжевой платформы представляет собой важный шаг в биоинженерии и экологии, сочетая принципы синтетической биологии с применением естественных биомеханизмов минерализации. Это решение предлагает новую парадигму трансформации биологических отходов в ценные материалы, стимулируя переход к более устойчивой и циркулярной биоэкономике. Таким образом, производство гидроксиапатита из мочи на базе синтетических остеодрожжей открывает многообещающие горизонты для одновременного решения проблем отходопереработки, получения высококачественных материалом и поддержки экологической сбалансированности. Интеграция таких инновационных биотехнологий в инфраструктуру городов и индустриальные процессы способна не только повысить экономическую эффективность использования ресурсов, но и существенно сократить негативное воздействие на окружающую среду.
