Na czym polega proces biodegradacji tworzyw sztucznych i dlaczego jest tak ważny?

Proces biodegradacji tworzyw sztucznych to biologiczny rozkład polimerów do wody dwutlenku węgla i biomasy pod wpływem mikroorganizmów oraz ich enzymów. Zrozumienie jak działa ten mechanizm oraz dlaczego jest tak ważny determinuje projektowanie materiałów i sposób ich zagospodarowania po użyciu [6]. Trwałość klasycznych polimerów sprawia, że rozkład jest bardzo wolny lub praktycznie nie zachodzi co podnosi wagę tematu i kieruje uwagę na materiały bardziej podatne na przemiany biologiczne [5][4].

Czym jest biodegradacja tworzyw sztucznych?

Biodegradacja to rozkład substancji chemicznych w tym polimerów przez makro- i mikroorganizmy do naturalnych produktów końcowych takich jak woda dwutlenek węgla i biomasa. Może przebiegać w warunkach tlenowych i beztlenowych w zależności od dostępności tlenu [6]. W trakcie procesu bakterie i grzyby przetwarzają materiał na CO₂ oraz inne produkty rozkładu finalnie prowadząc do jego mineralizacji [8].

Jak działa na poziomie molekularnym proces biodegradacji tworzyw sztucznych?

Kluczową rolę pełnią enzymy wytwarzane przez mikroorganizmy. Inicjują one cięcie długich łańcuchów polimerowych skracając je do oligomerów które następnie są dalej metabolizowane aż do końcowych produktów rozkładu [1]. Dynamika całego szlaku zależy zarówno od budowy polimeru jak i od repertuaru enzymów różnych mikroorganizmów które zasiedlają dany materiał [6].

Dlaczego tradycyjne tworzywa sztuczne biodegradują bardzo wolno?

Konwencjonalne polimery takie jak polietylen polipropylen i PVC mają niezwykle trwałą strukturę chemiczną która jest słabo podatna na atak enzymatyczny co sprawia że rozkład zachodzi bardzo wolno lub jest praktycznie niemożliwy [5]. Dodatkowo długie łańcuchy polimerowe są trudne do rozbicia przez naturalne enzymy a hydrofobowe powierzchnie ograniczają adhezję i dostęp mikroorganizmów [5]. Obecność dodatków takich jak plastyfikatory stabilizatory i pigmenty może hamować wzrost mikroorganizmów i spowalniać degradację [5].

Na czym polega oksy-biodegradacja i kiedy ją wprowadzono?

Oksy-biodegradacja to dwuetapowy proces w którym najpierw dochodzi do oksydacyjnego rozdrobnienia polimeru na mniejsze fragmenty a następnie do ich właściwej biodegradacji przez mikroorganizmy [2]. Materiały oksy-biodegradowalne rozkładają się samoczynnie pod wpływem promieniowania słonecznego ciepła ciśnienia oraz uszkodzeń mechanicznych co przyspiesza utlenianie i skracanie łańcuchów [6]. Mechanizm obejmuje reakcje takie jak hydroksylacja i karboksylacja a rozpad łańcucha zawierającego grupy tlenowe jest dodatkowo przyspieszany przez niewielkie ilości soli metali [2]. Wyroby tego typu zaczęto wytwarzać na przełomie XX i XXI wieku co zainicjowało kierunek rozwoju dodatków modyfikujących cykl życia plastiku [2].

Co to są prodegradanty i po co się je dodaje?

Prodegradanty to dodatki które zwiększają podatność polimerów na procesy utleniania a w konsekwencji ułatwiają późniejszą degradację mikrobiologiczną [6]. Stosuje się je w stężeniach dobranych do konkretnego materiału aby osiągnąć docelowe tempo i przebieg rozkładu [2]. Z perspektywy chemicznej zawierają one najczęściej sole metali przejściowych lub cząsteczki organiczne z grupami ketonowymi które inicjują i katalizują reakcje oksydacyjne w łańcuchu polimeru [6].

Ile trwa rozpad materiałów oksy-biodegradowalnych?

Czas degradacji po wprowadzeniu odpowiednich dodatków może wynosić od kilku tygodni przy czym zależy on od rodzaju i dawki prodegradantu oraz od warunków środowiskowych które inicjują etap oksydacyjny [2].

Czym różni się biodegradacja tlenowa od beztlenowej i gdzie zachodzi?

Biodegradacja tlenowa prowadzi do powstawania CO₂ i biomasy przy udziale tlenu natomiast beztlenowa przebiega bez jego udziału co zmienia przebieg i produkty przemian [6]. Praktyczna skuteczność jest silnie zależna od dostępu tlenu dlatego w głębszych warstwach składowisk proces zachodzi w niewielkim stopniu lub nie zachodzi wcale co ogranicza mineralizację materiałów [4].

Jakie warunki decydują o tempie biodegradacji?

O tempie decyduje kombinacja kilku czynników: struktura i chemia polimeru określające podatność na atak enzymatyczny skład i aktywność enzymów produkowanych przez lokalne mikroorganizmy oraz zmienne parametry środowiska takie jak temperatura wilgotność dostęp tlenu i ekspozycja na światło [6][4]. W praktyce oznacza to że nawet ten sam materiał może degradować z różną szybkością w zależności od warunków zewnętrznych i składu mikrobiomu [4].

Jakie są wyniki badań biotechnologicznych nad biodegradacją?

W projekcie BIOCLEAN oceniano zastosowanie biotechnologii do rozpadu i detoksykacji odpadów z tworzyw sztucznych. Przeanalizowano 65 szczepów bakterii w tym pochodzenia morskiego oraz grzyby co doprowadziło do wykazania częściowego rozkładu folii plastikowych [3]. Uzyskano częściową degradację polichlorku winylu a w niższym stopniu polietylenu i polipropylenu co potwierdza że kierunek biotechnologiczny jest obiecujący lecz wymaga dalszej optymalizacji [3].

Co oznacza biodegradowalność całkowita?

Biodegradowalność całkowita to stan w którym materiał ulega kompletnemu rozkładowi pod wpływem mikroorganizmów do produktów naturalnych bez pozostałości nierozłożonych fragmentów [7]. Taki wynik jest osiągalny szybciej w przypadku biopolimerów które wykazują szybką biodegradację zarówno w środowisku kontrolowanym jak i w warunkach przyrodniczych [4].

Dlaczego proces biodegradacji tworzyw sztucznych jest tak ważny?

Znaczenie wynika z kontrastu między wysoką trwałością tradycyjnych polimerów a zdolnością układów biologicznych do ich mineralizacji. Tradycyjne tworzywa są odporne na enzymatyczny rozkład co wydłuża ich obecność w środowisku dlatego projektowanie materiałów podatnych na biologiczne przemiany oraz stosowanie rozwiązań jak oksy-biodegradacja i prodegradanty przyspiesza drogę do wody CO₂ i biomasy [5][6][2]. Wybór materiałów o wyższej podatności i zapewnienie odpowiednich warunków środowiskowych zwiększa szanse na pełną mineralizację zgodnie z wymaganiami biodegradowalności całkowitej [4][7].