Механизм биодеградации

Биодеградация полимеров включает в себя следующие этапы: 1. Прикрепление микроорганизма к поверхности полимера. 2. Рост микроорганизма, использующего полимер в качестве источника углерода. 3. Конечная деградация полимера.

Микроорганизмы способны прикрепляться к поверхности полимера, пока последний является гидрофильным. Как только организм прикрепляется к поверхности, он может расти, используя полимер в качестве источника углерода. На стадии первичной деградации внеклеточные ферменты, выделяемые организмом, вызывают расщепление основной цепи, что приводит к образованию низкомолекулярных фрагментов, таких как олигомеры, димеры или мономеры. Эти низкомолекулярные соединения в дальнейшем используются микробами в качестве источников углерода и энергии. Мелкие олигомеры также могут диффундировать в организм и ассимилироваться в его внутренней среде. Эти пути реакции проиллюстрированы на рисунке 6 [25].

Факторы, влияющие на биодеградацию пластмасс

Биодеградируемость полимера в основном определяется следующими физико-химическими характеристиками: 1. Наличие функциональных групп, повышающих гидрофобность (гидрофильная деградация происходит быстрее, чем гидрофобная). 2. Молекулярная масса и плотность полимера (ниже разлагается быстрее, чем выше). 3. Морфология полимера: количество кристаллических и аморфных областей (аморфное разлагается быстрее кристаллического). 4. Структурная сложность, такая как линейность или наличие разветвлений в полимере. 5. Наличие легко разрываемых связей, таких как эфирные или амидные связи. Цепная связь (сложный эфир > простой эфир > амид > уретан). 6. Молекулярный состав (смесь). 7. Природа и физическая форма полимера (например, пленки, гранулы, порошок или волокна). 8. Твердость (мягкие полимеры разлагаются быстрее твердых) [26,27,28].

Биодеградация синтетических пластмасс

Полиэтилен (ПЭ)

Полиэтилен - это стабильный полимер, состоящий из длинных цепочек мономеров этилена; он не может быть легко разложен микроорганизмами. Однако, известно, что чем ниже молекулярная масса ПЭ олигомеров (МВт=600-800) может быть частично разлагается Actinobacter sp. при диспергировании, в то время как высокомолекулярный ПЭ не разлагается [13].

Биодеградация ПЭ - это очень медленный процесс. Большое разнообразие актиномицетов, таких как штамм Streptomyces, и грибов, таких как Aspergillus и Penicillium, были использованы в исследованиях для облегчения этого процесса. El-Shafei и др. (1998) исследовали способность штаммов грибов и стрептомицетов атаковать разлагаемый полиэтилен, состоящий из утилизированных полиэтиленовых пакетов, содержащих 6% крахмала [29]. Они выделили восемь различных штаммов Streptomyces и два гриба Mucor rouxii NRRL 1835 и Aspergillus flavus.

Yamada-Onodera и др. (2001) изучили штамм гриба Penicillium simplicissimum YK, способный биодеградировать полиэтилен без добавок [30]. Ультрафиолетовый свет или окислители, такие как УФ-сенсибилизатор, использовались в начале процесса для активации инертного материала, полиэтилена. Полиэтилен также обрабатывали азотной кислотой при 80°С в течение шести дней перед культивированием с введением функциональных групп, чувствительных к микроорганизмам. При грибковой активности полиэтилен с начальной молекулярной массой в диапазоне от 4000 до 28000 разлагался до единиц с молекулярной массой 500 после месяца жидкого культивирования. Это указывало на успешную биодеградацию данного полиэтилена. В целом деградация полиэтилена представляет собой комбинированный процесс фото- и биодеградации. Либо путем абиотического окисления (воздействие ультрафиолетового излучения), либо термической обработки получают основные абиотические предшественники, позволяющие отборным термофильным микроорганизмам разлагать продукты окисления с низкой молярной массой.

Известно, что биодеградация полиэтилена происходит либо гидробиодеградацией, либо оксобиодеградацией. Эти два механизма могут быть использованы из-за двух добавок, крахмала и прооксиданта, используемых в синтезе биоразлагаемого полиэтилена. Полиэтилен, смешанный с крахмалом, имеет непрерывную крахмальную фазу, которая делает материал гидрофильным и поэтому позволяет катализировать его ферментами амилазы. Микроорганизмы могут легко получить доступ, атаковать и удалить этот участок, таким образом, полиэтилен с гидрофильной матрицей продолжает подвергаться гидробиодеградации. Если была использована прооксидантная добавка, то биодеградация происходит после фотодеградации и химической деградации. Если прооксидантом является соединение металла, то после катализируемого переходным металлом термического перекисного окисления последовательно происходит биодеградация низкомолекулярных продуктов окисления [31]. Этот процесс показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Механизм биодеградации полиэтилена.

Взято из Vasile, 1993 [32]

Полипропилен (ПП)

Полипропилен - это термопластик, который обычно используется для пластиковых форм, стационарных папок, упаковочных материалов, пластиковых ванн, нерассасывающихся швов, подгузников и т. д. Он может разрушаться под воздействием ультрафиолетового излучения солнечного света, а также окисляться при высоких температурах. Исследована также возможность деградации ПП микроорганизмами [33].

Несмотря на то, что ПП является полиолефином и, следовательно, склонен к окислительной деградации, как и ПЭ, замена метила на водород в положении β делает его более устойчивым к микробным атакам, как ранее обсуждалось в разделе, посвященном факторам, влияющим на биодеградируемость (а именно структурной сложности). Порядок убывания восприимчивости полимеров к деградации в почве, смешанной с коммунальными отходами, составлял ПЭ > ПВД > ПНД. Это было выявлено путем анализа потери веса образца, выделения CO2, изменения прочности при растяжении, а также изменения в FTIR-спектроскопии и бактериальной активности в почве.

Многие микробные сообщества, такие как некоторые виды грибов, например, Aspergillus niger, и бактерии, такие как Pseudomonas и Vibrio, были сообщены о биодеградации ПП. В процессе деградации наблюдалось снижение вязкости и образование новых групп, а именно карбонильных и карбоксильных [34].

Полистирол (ПС)

Полистирол - это синтетический гидрофобный полимер с высокой молекулярной массой. Он пригоден для вторичной переработки, но не поддается биологическому разложению; и хотя сообщалось, что пленка ПС была биодеградирована штаммом актиномицетов, степень этой биодеградации была очень низкой [35].

Kaplan и др. (1979) исследовали биодеградацию полистирола с помощью семнадцати видов грибов, способных разрушать пластмассы. Они обнаружили низкие скорости разложения, хотя добавление целлюлозы и минералов значительно увеличило эти скорости разложения [36]. Lyklema и др. (1989) изучали адгезию видов Arthrobacter, E. coli, Micrococcus и Psuedomonas на полистирольной пленке. Адгезия наблюдалась микроскопически и радиометрически [37].