Биоразлагаемые добавки - Biodegradable additives

Биоразлагаемые добавки находятся добавки которые усиливают биоразложение из полимеры позволяя микроорганизмы для использования углерода в полимерной цепи в качестве источника энергии. Биоразлагаемые добавки привлекают к полимеру микроорганизмы. проверка кворума после биопленка создание на пластик товар. Добавки обычно находятся в маточная смесь пласты, в которых используются смолы-носители, такие как полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полистирол (ПС) или же полиэтилентерефталат (ПЭТ).

Наиболее распространенные синтетические пластмассы не поддаются биологическому разложению, и как химические, так и физические свойства пластмассы играют важную роль в процессе деградации пластмассы. Добавление биоразлагаемых добавок может влиять на механизм деградации пластика, изменяя химические и физические свойства пластика, увеличивая скорость разложения.[1] Биоразлагаемые добавки могут превратить процесс разложения пластика в процесс биоразложения. Вместо того, чтобы деградировать просто под воздействием факторов окружающей среды, таких как солнечный свет (фото-деградация ) или тепла (термическое разложение ), биоразлагаемые добавки позволяют разлагать полимеры микроорганизмами и бактериями посредством прямого или косвенного воздействия.

В то время как некоторые добавки к пластику влияют только на поверхность пластика (напр. красители ), эффективные биоразлагаемые добавки должны изменять внутреннюю часть пластика и его химические свойства.[2] Хорошие биоразлагаемые добавки ускоряют скорость разложения за счет снижения прочности определенных свойств полимеров и повышения их привлекательности для микроорганизмов.

Механизм биодеградации

В целом процесс микробного биоразложения пластика приводит к значительному снижению молекулярной массы полимера, что приводит к потере структурной целостности пластика. Существует несколько различных способов, которыми микроорганизмы могут осуществлять процесс разложения пластика, и этот механизм немного отличается в зависимости от условий окружающей среды.

Прямое действие

Некоторые микроорганизмы могут напрямую потреблять пластиковые фрагменты и использовать углерод в качестве источника питания. Например, Brevibacillus borstelensis, Родококковая резина, Pseudomonas chlororaphis, и Comamonas acidovorans Экспериментально показали, что TB-35 использует прямое действие для потребления полиэтилена.[3] Что касается других, менее широко используемых пластиков, исследователи обнаружили только один штамм микроба, способный непосредственно разрушать конкретный пластик. В настоящее время проводятся дополнительные исследования для обнаружения других штаммов микробов, которые могут эффективно биоразлагать пластмассы.

Молекулярная масса полимера играет важную роль в том, могут ли микроорганизмы использовать направленное действие для разрушения пластмасс, потому что микроорганизмам довольно сложно непосредственно разлагать высокомолекулярные полимеры. Функциональные группы на полимере также определяют, будет ли полимер разлагаться напрямую, при этом большие заместители труднее разлагать.[4]

Этапы механизма микробной деградации показаны как в аэробных, так и в анаэробных условиях.[5]

Косвенное действие

Микробы, участвующие в разложении пластмасс на основе ископаемых, обычно используют косвенный механизм, в котором микробиологические ферменты сломать пластик. Продукты метаболизма микроорганизма косвенно влияют на свойства пластика, что приводит к его разрушению.[3]

Микробное биоразложение на основе ферментов может происходить в двух условиях: аэробном и анаэробном. Пластмассы обычно состоят из гидрофобный полимеры, поэтому первая стадия биодеградации в обоих условиях включает расщепление полимера ферментом на более мелкие составляющие, такие как олигомеры, димеры, и мономеры.[6] Разрушение пластика на более мелкие молекулы известно как гидролиз или же окисление, и этот процесс увеличивает гидрофильность полимера.[4] Гидролиз или окисление - самый важный этап в механизме, поскольку он инициирует весь процесс биоразложения пластика.[5] После гидролиза или окисления микроорганизмы могут действовать непосредственно на продукты с более низким молекулярным весом и использовать углерод в этих фрагментах в качестве источника энергии.

Общие ферменты, участвующие в биодеградации пластика микробами, включают: липаза, протеиназа К, проназа и гидрогеназа, среди других.[3] Эффективность этих ферментов зависит от типа разрушаемого пластика. Кроме того, продукты микробного биоразложения будут отличаться в зависимости от условий окружающей среды.

Аэробика

В аэробных условиях микроорганизмы будут использовать кислород в качестве акцептора электронов. Получаемые продукты - диоксид углерода (CO2) и вода (H2О).[5] Примеры аэробных условий для микробного биоразложения включают свалки и отложения.[4]

Анаэробный

В анаэробных условиях недостаток кислорода требует, чтобы бактерии использовали другой источник акцептора электронов. Обычными акцепторами электронов, используемыми анаэробными бактериями, являются сульфат, железо, нитрат, марганец и диоксид углерода. В результате в анаэробных условиях образуются диоксид углерода (CO2), вода (H2O) и метана (CH4).[6]

Простое химическое уравнение анаэробного процесса:

C6ЧАС12О6 → 3CO2 + 3CH

Примеры анаэробных условий для микробного биоразложения включают почву и компосты.[4]

Типы биоразлагаемых добавок

Крахмал

Крахмал представляет собой обычную биоразлагаемую добавку, и смеси синтетических пластиков с крахмалом становятся все более распространенными. Поскольку крахмал представляет собой полимерный углевод, он может непосредственно потребляться микроорганизмами. Крахмал - это возобновляемый и дешевый ресурс, доступный круглый год, что делает его жизнеспособной биоразлагаемой добавкой.[1]

Крахмал можно преобразовать в пластиковые гранулы, которые затем можно использовать в качестве биоразлагаемой добавки к другим пластмассам, таким как полиэтилен.[7]

Хотя крахмал является многообещающей биоразлагаемой добавкой, в настоящее время он смешивается только с некоторыми синтетическими пластиками. Крахмал и поливиниловый спирт (PVA) смеси полностью биоразлагаются различными микробами, поскольку оба компонента являются биоразлагаемыми.[6] Однако добавление крахмала может увеличить скорость разложения ПВС. Смеси крахмала и полиэстера также оказались полностью биоразлагаемыми.[5] Наличие непрерывной фазы крахмала позволяет напрямую потреблять пластик микроорганизмами, поскольку материал становится более гидрофильным. Микроорганизмы могут напрямую атаковать пластик и удалять крахмал с пластика, что приводит к его разрушению. Крахмал чаще всего используется в качестве биоразлагаемой добавки для обоих полиэтилен низкой плотности (LDPE) и полиэтилен высокой плотности (HDPE).[8] Поскольку полиэтилен используется для самых разных целей, от пластиковых пакетов до пластиковых бутылок для воды и уличной мебели, большое количество полиэтилена выбрасывается каждый год, и определение способов повышения его биоразлагаемости стало важной областью исследований.

Cornplast, производимый Национальной ассоциацией производителей кукурузы (США), представляет собой специфическую крахмальную добавку, которая может использоваться для увеличения биоразлагаемости синтетического полиэтилена. Корнопласт - это материал, в составе которого 20% полиэтилена и 80% крахмала. 50% -50% по весу смеси Cornplast с LDPE и HDPE были изучены для определения эффективности крахмала как биоразлагаемой добавки.[8]

Биоаугментация

Добавление определенных микробных штаммов к пластику известно как биоаугментация, и это метод повышения способности пластика к биоразложению. Биоаугментация использовалась для увеличения скорости разложения уже компостируемых пластиков, таких как поли (молочная кислота) (PLA). Компостирование пластмассы - многообещающая альтернатива утилизации пластмассы на свалках. Однако пластик требует определенных свойств для компостирования. Чтобы повысить способность к составлению и биоразложению пластмасс, биоаугментация - это метод прямого добавления микроорганизмов в пластик. В этом случае биоразлагаемыми добавками являются сами микробы.[9]

Необходимо провести эксперименты, чтобы определить, какие конкретные штаммы микробов, присутствующие в компосте, действительно способны связываться с пластиком, чтобы определить потенциальные источники биоаугментации. Эти эксперименты необходимо проводить для различных пластиков, поскольку различия в свойствах пластмасс будут влиять на связывающую способность штамма микробов. Чтобы определить, разрушает ли пластик штамм микроорганизма, обычно используются измерения количества присутствующего диоксида углерода, поскольку диоксид углерода является продуктом как аэробной, так и анаэробной микробной деградации. Чтобы подтвердить, что изучаемые микроорганизмы привлекают определенный тип пластика, важно, чтобы синтетический пластик был единственным источником углерода в экспериментальном компосте или почве.[9] Если происходит значительное выделение углекислого газа, это означает, что микроорганизм успешно поглотил углерод, содержащийся в пластике.

Одним из примеров штамма микробов, который был использован для успешной биоаугментации поли (молочной кислоты), является Geobacillus thermoleovorans. Этот штамм бактерий может расти как в морских, так и в наземных условиях и может использовать различные сахара, углеводороды и карбоновые кислоты в качестве источников питания. Geobacillus thermoleovorans успешно прикрепляется к поверхности поли (молочной кислоты), и эксперименты показывают, что эта колонизация увеличит скорость микробного разложения пластмассы.[9]

Прооксидантные добавки

Прооксидантные добавки увеличивают скорость как термоокисления, так и фотоокисления, что приводит к большему количеству экстрагируемых низкомолекулярных соединений.[10] Затем микробные штаммы могут эффективно атаковать углерод в этих низкомолекулярных фрагментах крупноцепочечных полимеров.

Прооксидантные добавки обычно используются для увеличения скорости биоразложения полиэтилена и полиэтиленовых пленок. Полиэтилен - очень распространенный полимер, который используется во многих повседневных пластиковых изделиях, таких как бутылки для воды, продуктовые пакеты и сливные трубы. Однако его высокая молекулярная масса препятствует естественному разрушению материала микроорганизмами. Прооксидантные добавки оказались эффективными в увеличении способности полиэтилена к биоразложению за счет создания более мелких фрагментов полимера.[11]

Типичными прооксидантными добавками являются комплексы переходных металлов или переходные ионы металлов, которые добавляются в пластик в форме стеарата или других комплексов органических лигандов. Наиболее распространенные металлы, используемые в качестве прооксидантов: железо (Fe), марганец (Mn), и кобальт (Co). Комплексы Fe увеличивают скорость фотоокисления, обеспечивая источник радикалов для стадии инициирования в процессе создания фрагментов с меньшей молекулярной массой.[11] Использование таких OXO-биодеградация добавки были запрещены в ЕС в 2019 году[12] из-за опасений, что обработанный пластик не полностью биоразлагается, а вместо этого приводит к ускоренному образованию микропластик.[13]

Текущие исследования биоразложения полиэтилена показали, что изначально биоразложение происходит довольно быстро, когда в пластик включены прооксидантные добавки, что, скорее всего, связано с быстрым поглощением низкомолекулярных пластиковых фрагментов микроорганизмами.[10]

Тестирование биоразлагаемых добавок

Методы тестирования

С определенным пластиком можно провести несколько тестов, чтобы определить, увеличивает ли потенциальная добавка его биоразлагаемость.

Сравнение изменений физических свойств пластика как с потенциальными биоразлагаемыми добавками, так и без них в процессе разложения может дать представление об эффективности добавки. Если на разложение значительно влияет добавление добавки, это может указывать на улучшение биоразложения.[14] Некоторые важные физические свойства, которые можно измерить экспериментально, - это прочность на разрыв, молекулярная масса, эластичность и кристалличность. Измерение внешнего вида пластика до и после потенциального микробного биоразложения также может дать представление об эффективности разложения.[4]

Термический анализ - это полезный метод для характеристики эффектов разложения на физические свойства полимеров. Информацию о термической стабильности и кинетических параметрах термического разложения можно получить с помощью термогравиметрического анализа. Эти кинетические параметры предоставляют информацию о разрыве молекулярных цепей, индикатор разрушения. Из измерений энтальпии в расплавленном состоянии и в кристаллическом состоянии можно регистрировать изменение содержания кристалличности в пластмассах. Изменения кристалличности могут указывать на то, что разложение было успешным или неудачным. Пластинчатая толщина Распределение пластика также можно измерить с помощью термического анализа.[8]

Другой способ определить эффективность биоразложения - это измерить количество диоксида углерода и / или метана, продуцируемого микроорганизмами, разрушающими пластик. Поскольку диоксид углерода и метан являются продуктами процесса микробной деградации, большое количество этих продуктов в воздухе указывает на то, что синтетический пластик был израсходован и преобразован в энергию.[9]

Тестирование условий окружающей среды

Термоокислительные процедуры

Термоокислительная обработка синтетических пластмасс может воспроизводить условия, в которых будет использоваться пластик (например, хранение воды для бутылки с водой). Эти испытания можно использовать для наблюдения за изменениями пластика в течение его срока службы за гораздо более короткий период времени, который был бы необходим для естественного наблюдения за пластиком. Типичные условия воздушной атмосферы контролируются с помощью специальных приборов (напр. Духовка Heraeus UT 6060 ).[8]

Захоронение почвы

Ускоренные испытания на захоронение грунта используются для регистрации процесса разложения пластика в земле путем воспроизведения условий свалки, типичного места захоронения пластмасс. Эти испытания используются после того, как срок службы материала истощен, и следующим шагом для материала является утилизация. Обычно образцы закапывают в биологически активную почву на шесть месяцев и подвергают воздействию воздуха, чтобы обеспечить достаточное количество кислорода, чтобы мог произойти аэробный механизм разложения. Условия эксперимента должны точно отражать естественные условия, поэтому влажность и температура почвы тщательно контролируются.[14] Также необходимо записать тип используемой почвы, так как она может повлиять на процесс разложения.[8]

Конкретные методы тестирования

Следующие методы испытаний были одобрены Американским обществом испытаний и материалов:

  1. Тестирование ASTM D5511-12 предназначено для «анэробного биоразложения пластиковых материалов в среде с высоким содержанием твердых веществ в условиях анаэробного разложения с высоким содержанием твердых веществ»[15]
  2. Тестирование ASTM D5526-12 предназначено для «Стандартного метода испытаний для определения анаэробного биоразложения пластиковых материалов в условиях ускоренного Свалка Условия"[16]
  3. Тестирование ASTM D5210-07 предназначено для «Стандартного метода испытаний для определения анаэробного биоразложения пластмассовых материалов в городских условиях. Осадок сточных вод "[17]

Лаборатории, выполняющие методы тестирования ASTM

  • Eden Research Labs
  • Респиртек
  • NE лаборатории
  • NSF

Воздействие на окружающую среду

В настоящее время большие площади земли покрыты пластиковыми отходами. Биоразлагаемые добавки помогут ускорить процесс биоразложения пластмасс, так что скопления пластика будут реже.[18]

Биоразлагаемые добавки могут значительно снизить накопление пластмасс в окружающей среде. Пластмассы повсеместно используются в повседневной жизни и ежегодно производятся и утилизируются в огромных количествах. Многие обычные пластмассы, такие как полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид и полиэтилентерефталат, которые можно найти в большинстве потребительских товаров, не поддаются биологическому разложению.[1] Кроме того, ежегодно перерабатывается лишь около 9-10% выброшенного пластика. Пластмассы, не поддающиеся биологическому разложению, накапливаются в окружающей среде, угрожая здоровью людей, животных и окружающей среды.

Текущие решения проблемы количества выбрасываемого пластика включают сжигание пластика и сброс его на большие поля или свалки. Сжигание пластика приводит к значительному загрязнению воздуха, что вредно для здоровья человека и животных. При сбросе на поля или свалки пластик может вызвать изменение pH почвы, что приведет к бесплодию почвы.[3] Кроме того, пластиковые бутылки и полиэтиленовые пакеты, которые попадают на свалки, часто потребляются животными, что затем забивает их пищеварительную систему и приводит к смерти.[4]

В связи со значительным ростом потребления пластмасс, биоразлагаемые добавки становятся все более необходимыми для увеличения скорости разложения обычных пластмасс. Текущие исследования сосредоточены на поиске новых биоразлагаемых добавок, которые сократят процесс разложения с десятилетий до столетий до всего от нескольких месяцев до нескольких лет.

Производители биоразлагаемых добавок

Рекомендации

  1. ^ а б c Токива, Ютака; Калабия, Буэнавентурада; Угву, Чарльз; Айба, Сейичи (26 августа 2009 г.). «Биоразлагаемость пластмасс». Международный журнал молекулярных наук. 10 (9): 3722–3742. CiteSeerX  10.1.1.394.2078. Дои:10.3390 / ijms10093722. ISSN  1422-0067. ЧВК  2769161. PMID  19865515.
  2. ^ «Биоразлагаемый пластик с добавками». Биоразлагаемый пластик BioSphere. Получено 2012-08-30.
  3. ^ а б c d Гош, Свапан Кумар; Пал, Суджой; Рэй, Суманта (2013). «Изучение микробов, способных к биоразложению пластмасс». Экология и исследования загрязнения окружающей среды. 20 (7): 4339–4355. Дои:10.1007 / s11356-013-1706-х. ISSN  0944-1344. PMID  23613206.
  4. ^ а б c d е ж Кошти, Рупали; Мехта, Линкон; Самарт, Никеш (2018). «Биологическая переработка полиэтилентерефталата: мини-обзор». Журнал полимеров и окружающей среды. 26 (8): 3520–3529. Дои:10.1007 / s10924-018-1214-7.
  5. ^ а б c d Шах, Амер Али; Хасан, Фариха; Хамид, Абдул; Ахмед, Сафия (январь 2008 г.). «Биологическое разложение пластмасс: всесторонний обзор». Достижения биотехнологии. 26 (3): 246–265. Дои:10.1016 / j.biotechadv.2007.12.005. PMID  18337047.
  6. ^ а б c Ахмед, Темур; Шахид, Мухаммад; Азим, Фаррух; Расул, Иджаз; Шах, Асад Али; Номан, Мухаммед; Хамид, Амир; Манзур, Наташа; Манзур, Ирфан (2018). «Биодеградация пластмасс: текущий сценарий и будущие перспективы экологической безопасности». Экология и исследования загрязнения окружающей среды. 25 (8): 7287–7298. Дои:10.1007 / s11356-018-1234-9. ISSN  0944-1344. PMID  29332271.
  7. ^ "Научное изображение CSIRO - Научное изображение CSIRO". www.scienceimage.csiro.au. Получено 2019-05-24.
  8. ^ а б c d е Santonja-Blasco, L .; Contat-Rodrigo, L .; Moriana-Torró, R .; Рибес-Греус, А. (2007-11-15). «Термическая характеристика смесей полиэтилена с биоразлагаемой маточной смесью, подвергнутой термоокислительной обработке и последующему испытанию на захоронение в почве». Журнал прикладной науки о полимерах. 106 (4): 2218–2230. Дои:10.1002 / app.26667.
  9. ^ а б c d Castro-Aguirre, E .; Auras, R .; Selke, S .; Рубино, М .; Марш, Т. (май 2018 г.). «Повышение скорости биодеградации пленок из поли (молочной кислоты) и бионанокомпозитов PLA при моделировании компостирования посредством биоаугментации». Разложение и стабильность полимера. 154: 46–54. Дои:10.1016 / j.polymdegradstab.2018.05.017.
  10. ^ а б Коутны, Марек; Сансельме, Мартина; Дабин, Екатерина; Пишон, Николас; Делорт, Энн-Мари; Лемер, Жак (2006). «Приобретенная биоразлагаемость полиэтиленов, содержащих прооксидантные добавки» (PDF). Разложение и стабильность полимера. 91 (7): 1495–1503. Дои:10.1016 / j.polymdegradstab.2005.10.007. ISSN  0141-3910.
  11. ^ а б Коутны, Марек; Лемер, Жак; Делорт, Энн-Мари (2006). «Биодеградация полиэтиленовых пленок с прооксидантными добавками» (PDF). Атмосфера. 64 (8): 1243–1252. Bibcode:2006Чмсп..64.1243К. Дои:10.1016 / j.chemosphere.2005.12.060. ISSN  0045-6535. PMID  16487569.
  12. ^ Директива ЕС 2019/904 (статья 5), Директива ЕС от 5 июня 2019 г.
  13. ^ «о влиянии использования оксодеградируемого пластика, в том числе оксодеградируемого пластика» (PDF). ЕВРОПЕЙСКИЙ. Получено 11 ноября 2020.
  14. ^ а б Селке, Сьюзен; Ауры, Рафаэль; Нгуен, Туан Ань; Кастро Агирре, Эдгар; Черуватур, Риджош; Лю, Ян (2015-03-17). «Оценка добавок, способствующих биоразложению пластмасс». Экологические науки и технологии. 49 (6): 3769–3777. Bibcode:2015EnST ... 49.3769S. Дои:10.1021 / es504258u. ISSN  0013-936X. PMID  25723056.
  15. ^ "ASTM D5511-12". ASTM International. Получено 2012-06-30.
  16. ^ "ASTM D5526-12". ASTM International. Получено 2012-06-30.
  17. ^ "ASTM D5210-07". ASTM International. Получено 2012-06-30.
  18. ^ «Пластиковые отходы в Батлапалеме». 2011.