Биодеградация – это расщепление органических веществ микроорганизмами , такими как бактерии и грибы . [a] [2] Обычно считается, что это естественный процесс, что отличает его от компостирования . Компостирование — это управляемый человеком процесс, в котором биоразложение происходит при определенных обстоятельствах.
Процесс биодеградации тройной: сначала объект подвергается биодеградации, то есть механическому ослаблению его структуры; затем следует биофрагментация, то есть расщепление материалов микроорганизмами; и, наконец, ассимиляция, то есть включение старого материала в новые клетки.
На практике почти все химические соединения и материалы подвержены биоразложению, ключевым фактором которого является время. Такие вещи, как овощи, могут разлагаться в течение нескольких дней, а разложение стекла и некоторых пластиков занимает многие тысячелетия. Стандарт биоразлагаемости, используемый Европейским Союзом, заключается в том, что более 90% исходного материала должно быть преобразовано в CO 2 , воду и минералы посредством биологических процессов в течение 6 месяцев.
Процесс биодеградации можно разделить на три стадии: биопорча, биофрагментация и ассимиляция . [3] Биодеградацию иногда описывают как деградацию на уровне поверхности, которая изменяет механические, физические и химические свойства материала. Эта стадия возникает, когда материал подвергается воздействию абиотических факторов внешней среды и приводит к дальнейшей деградации за счет ослабления структуры материала. Некоторыми абиотическими факторами, влияющими на эти первоначальные изменения, являются сжатие (механическое), свет, температура и химические вещества в окружающей среде. [3] Хотя биоразрушение обычно происходит как первая стадия биодеградации, в некоторых случаях оно может идти параллельно с биофрагментацией. [4] Хьюк, [5] однако определил биодеградацию как нежелательное воздействие живых организмов на материалы человека, включая такие явления, как разрушение каменных фасадов зданий, [6] коррозия металлов микроорганизмами или просто эстетические изменения, вызываемые человеком. – структуры, созданные в результате роста живых организмов. [6]
Биофрагментация полимера — это литический процесс, при котором связи внутри полимера расщепляются, образуя на его месте олигомеры и мономеры . [3] Действия, предпринимаемые для фрагментации этих материалов, также различаются в зависимости от присутствия кислорода в системе. Разложение материалов микроорганизмами в присутствии кислорода — это аэробное сбраживание , а разложение материалов в отсутствие кислорода — анаэробное сбраживание . [7] Основное различие между этими процессами заключается в том, что анаэробные реакции производят метан , а аэробные реакции — нет (однако обе реакции производят углекислый газ , воду , некоторый тип остатков и новую биомассу ). [8] Кроме того, аэробное сбраживание обычно происходит быстрее, чем анаэробное сбраживание, в то время как анаэробное сбраживание лучше справляется с уменьшением объема и массы материала. [7] Благодаря способности анаэробного сбраживания уменьшать объем и массу отходов и производить природный газ, технология анаэробного сбраживания широко используется в системах управления отходами и в качестве источника местной возобновляемой энергии. [9]
На стадии ассимиляции продукты биофрагментации затем интегрируются в микробные клетки . [3] Некоторые продукты фрагментации легко транспортируются внутри клетки с помощью мембранных переносчиков . Однако другим все еще приходится подвергаться реакциям биотрансформации для получения продуктов, которые затем можно транспортировать внутрь клетки. Попав внутрь клетки, продукты вступают в катаболические пути , которые приводят либо к выработке аденозинтрифосфата (АТФ), либо элементов клеточной структуры . [3]
На практике почти все химические соединения и материалы подвержены процессам биоразложения. Значение, однако, заключается в относительных скоростях таких процессов, таких как дни, недели, годы или столетия. Ряд факторов определяет скорость, с которой происходит разложение органических соединений. Факторы включают свет , воду , кислород и температуру. [10] Скорость разложения многих органических соединений ограничена их биодоступностью , то есть скоростью, с которой вещество абсорбируется в систему или становится доступным в месте физиологической активности, [11] поскольку соединения должны быть высвобождены в раствор, прежде чем организмы могут их разлагать. Скорость биоразложения можно измерить несколькими способами. Респирометрические тесты можно использовать для выявления аэробных микробов . Сначала пробу ТБО помещают в емкость с микроорганизмами и почвой, а затем смесь аэрируют. В течение нескольких дней микроорганизмы по крупицам переваривают образец и выделяют углекислый газ – полученное количество CO 2 служит индикатором разложения. Биоразлагаемость также можно измерить с помощью анаэробных микробов и количества метана или сплава, которые они способны производить. [12]
Важно учитывать факторы, влияющие на скорость биоразложения во время тестирования продукта, чтобы гарантировать точность и надежность полученных результатов. Некоторые материалы будут проверены на биоразлагаемость в оптимальных условиях в лаборатории для получения одобрения, но эти результаты могут не отражать реальные результаты, где факторы более изменчивы. [13] Например, материал, который может быть протестирован как биоразлагаемый с высокой скоростью в лаборатории, может не разлагаться с высокой скоростью на свалке, потому что на свалках часто не хватает света, воды и микробной активности, которые необходимы для разложения. [14] Таким образом, очень важно наличие стандартов на биоразлагаемые пластиковые изделия, которые оказывают большое влияние на окружающую среду. Разработка и использование точных стандартных методов испытаний может помочь гарантировать, что все производимые и продаваемые пластмассы действительно будут подвергаться биологическому разложению в естественной среде. [15] Для этой цели был разработан один тест — DINV 54900. [16]
Термин «биоразлагаемые пластмассы» относится к материалам, которые сохраняют свою механическую прочность во время практического использования, но после использования распадаются на легкие соединения и нетоксичные побочные продукты. [18] Такое разрушение становится возможным из-за воздействия микроорганизмов на материал, который обычно представляет собой нерастворимый в воде полимер. [4] Такие материалы могут быть получены путем химического синтеза, ферментации микроорганизмами и из химически модифицированных натуральных продуктов. [19]
Пластики разлагаются с очень разной скоростью. Для очистки сточных вод выбирают сантехнику на основе ПВХ , поскольку ПВХ устойчив к биоразложению. С другой стороны, разрабатываются некоторые упаковочные материалы, которые легко разлагаются под воздействием окружающей среды. [20] Примеры синтетических полимеров , которые быстро биоразлагаются, включают поликапролактон , другие полиэфиры и ароматико-алифатические сложные эфиры, поскольку их сложноэфирные связи чувствительны к воздействию воды. Ярким примером является поли-3-гидроксибутират , полимолочная кислота , получаемая из возобновляемых источников . Другими являются ацетат целлюлозы на основе целлюлозы и целлулоид (нитрат целлюлозы).
В условиях низкого содержания кислорода пластик разлагается медленнее. Процесс разложения можно ускорить в специально созданной компостной куче . Пластики на основе крахмала разлагаются в течение двух-четырех месяцев в домашнем контейнере для компоста, тогда как полимолочная кислота практически не разлагается, что требует более высоких температур. [21] Поликапролактон и композиты поликапролактон-крахмал разлагаются медленнее, но содержание крахмала ускоряет разложение, оставляя после себя пористый поликапролактон с большой площадью поверхности. Тем не менее, это занимает много месяцев. [22]
В 2016 году было обнаружено, что бактерия Ideonella sakaiensis биоразлагает ПЭТ . В 2020 году фермент бактерии, разлагающий ПЭТ, ПЭТаза , был генетически модифицирован и объединен с МГЕТазой для более быстрого расщепления ПЭТ, а также разложения ПЭФ . [23] [24] [25] В 2021 году исследователи сообщили, что смесь микроорганизмов из коровьих желудков может расщеплять три типа пластика. [26] [27]
Многие производители пластика зашли так далеко, что даже заявили, что их пластик подлежит компостированию, обычно указывая в качестве ингредиента кукурузный крахмал . Однако эти утверждения сомнительны, поскольку индустрия пластмасс работает в соответствии со своим собственным определением компостируемого материала:
Термин «компостирование» часто неофициально используется для описания биоразложения упаковочных материалов. Существуют юридические определения компостируемости — процесса, который приводит к образованию компоста. Европейский Союз предлагает четыре критерия: [29] [30]
Биоразлагаемая технология — это устоявшаяся технология, имеющая некоторые применения в упаковке продукции , производстве и медицине. [31] Главным препятствием на пути широкого внедрения является компромисс между биоразлагаемостью и производительностью. Например, пластики на основе лактида обладают худшими упаковочными свойствами по сравнению с традиционными материалами.
Оксо-биодеградация определяется CEN (Европейской организацией по стандартизации) как «деградация, возникающая в результате окислительных и клеточно-опосредованных явлений, одновременно или последовательно». Хотя эти термины иногда называют «оксофрагментируемыми» и «оксоразлагаемыми», эти термины описывают только первую или окислительную фазу и не должны использоваться для материала, который разлагается в процессе оксо-биодеградации, определенной CEN: правильное описание: « оксо-биоразлагаемый». Оксо-биоразлагаемые составы ускоряют процесс биоразложения, но требуются значительные навыки и опыт, чтобы сбалансировать ингредиенты в составах так, чтобы обеспечить срок службы продукта в течение установленного периода с последующим разложением и биоразложением. [32]
Биоразлагаемая технология особенно используется биомедицинским сообществом . Биоразлагаемые полимеры подразделяются на три группы: медицинские, экологические и двойного применения, а по происхождению они делятся на две группы: природные и синтетические. [18] Группа чистых технологий использует сверхкритический диоксид углерода , который под высоким давлением и комнатной температуре является растворителем, который позволяет использовать биоразлагаемые пластмассы для изготовления полимерных покрытий для лекарств. Полимер (то есть материал, состоящий из молекул с повторяющимися структурными единицами, образующими длинную цепь) используется для инкапсуляции лекарства перед инъекцией в организм и основан на молочной кислоте , соединении, обычно вырабатываемом в организме, и, таким образом, способен выводиться естественным путем. Покрытие предназначено для контролируемого высвобождения в течение определенного периода времени, что позволяет сократить количество необходимых инъекций и максимизировать терапевтический эффект. Профессор Стив Хоудл утверждает, что биоразлагаемые полимеры особенно привлекательны для использования при доставке лекарств , поскольку после введения в организм они не требуют извлечения или дальнейших манипуляций и разлагаются до растворимых, нетоксичных побочных продуктов. Различные полимеры разлагаются в организме с разной скоростью, поэтому выбор полимера можно адаптировать для достижения желаемой скорости высвобождения. [33]
Другие биомедицинские применения включают использование биоразлагаемых эластичных полимеров с памятью формы. Биоразлагаемые материалы имплантатов теперь можно использовать для минимально инвазивных хирургических процедур благодаря разлагаемым термопластичным полимерам. Эти полимеры теперь способны менять свою форму с повышением температуры, что обеспечивает память формы, а также легко разрушаемые шовные материалы. В результате имплантаты теперь могут проходить через небольшие разрезы, врачи могут легко выполнять сложные деформации, а швы и другие вспомогательные материалы могут естественным образом биоразлагаться после завершенной операции. [34]
Не существует универсального определения биоразложения, существуют различные определения компостирования , что привело к большой путанице между этими терминами. Их часто смешивают вместе; однако они не имеют одинакового значения. Биодеградация — это естественное разложение материалов микроорганизмами, такими как бактерии и грибы, или другой биологической активностью. [35] Компостирование — это управляемый человеком процесс, в котором биоразложение происходит при определенных обстоятельствах. [36] Основное различие между ними заключается в том, что один процесс происходит естественным образом, а другой – человеком.
Биоразлагаемый материал способен разлагаться без источника кислорода (анаэробно) на углекислый газ, воду и биомассу, но временные рамки не определены конкретно. Точно так же компостируемый материал распадается на углекислый газ, воду и биомассу; однако компостируемый материал также распадается на неорганические соединения. Процесс компостирования определен более конкретно, поскольку он контролируется людьми. По сути, компостирование — это ускоренный процесс биоразложения благодаря оптимизированным обстоятельствам. [37] Кроме того, конечный продукт компостирования не только возвращается в свое предыдущее состояние, но также генерирует и добавляет в почву полезные микроорганизмы, называемые гумусом . Это органическое вещество можно использовать в садах и на фермах, чтобы в будущем вырастить более здоровые растения. [38] Компостирование происходит более последовательно и в более короткие сроки, поскольку это более определенный процесс, который ускоряется благодаря вмешательству человека. Биодеградация может происходить в разные сроки и при разных обстоятельствах, но предполагается, что она происходит естественным путем без вмешательства человека.
Даже при компостировании это может произойти при различных обстоятельствах. Два основных типа компостирования — домашнее и коммерческое. Оба производят здоровую почву, которую можно использовать повторно. Основное различие заключается в том, какие материалы могут использоваться в процессе. [37] Компостирование в домашних условиях в основном используется для пищевых отходов и лишних садовых материалов, таких как сорняки. Коммерческое компостирование способно расщеплять более сложные продукты растительного происхождения, такие как пластик на основе кукурузы и более крупные куски материала, например ветки деревьев. Коммерческое компостирование начинается с ручного измельчения материалов с помощью измельчителя или другой машины, чтобы инициировать процесс. Поскольку компостирование в домашних условиях обычно происходит в меньших масштабах и не требует использования большого оборудования, эти материалы не разлагаются полностью при компостировании в домашних условиях. Более того, в одном исследовании сравнили и противопоставили домашнее и промышленное компостирование, придя к выводу, что у обоих есть свои преимущества и недостатки. [40]
Следующие исследования предоставляют примеры, в которых компостирование определяется как разновидность биоразложения в научном контексте. Первое исследование «Оценка биоразлагаемости пластмасс в условиях, моделирующих компостирование в лабораторных условиях», четко рассматривает компостирование как совокупность обстоятельств, подпадающих под категорию деградации. [41] Кроме того, в следующем исследовании изучались эффекты биоразложения и компостирования химически и физически сшитой полимолочной кислоты. [42] В частности, обсуждение компостирования и биоразложения как двух разных терминов. В третьем и последнем исследовании рассматривается европейская стандартизация биоразлагаемых и компостируемых материалов в упаковочной промышленности, снова используя эти термины отдельно. [43]
Различие между этими терминами имеет решающее значение, поскольку путаница в управлении отходами приводит к неправильной утилизации материалов людьми на ежедневной основе. Технология биоразложения привела к огромным улучшениям в том, как мы утилизируем отходы; теперь существуют контейнеры для мусора, переработки и компоста, чтобы оптимизировать процесс утилизации. Однако если эти потоки отходов часто и часто путаются, то процесс утилизации совершенно не оптимизирован. [44] Биоразлагаемые и компостируемые материалы были разработаны для того, чтобы гарантировать, что большее количество отходов жизнедеятельности человека сможет разлагаться и возвращаться в свое прежнее состояние, а в случае компостирования даже добавлять в землю питательные вещества. [45] Когда компостируемый продукт выбрасывается, а не компостируется и отправляется на свалку, эти изобретения и усилия пропадают даром. Поэтому гражданам важно понимать разницу между этими терминами, чтобы материалы можно было утилизировать правильно и эффективно.
Пластиковое загрязнение в результате незаконных свалок представляет угрозу для здоровья дикой природы. Животные часто принимают пластик за еду, что приводит к запутыванию кишечника. Медленно разлагающиеся химические вещества, такие как полихлорированные бифенилы (ПХД), нонилфенол (НП) и пестициды, также содержащиеся в пластмассах, могут выделяться в окружающую среду и впоследствии попадать в организм диких животных. [46]
Эти химические вещества также играют роль в здоровье человека, поскольку потребление испорченной пищи (в процессах, называемых биомагнификацией и биоаккумуляцией) связано с такими проблемами, как рак, [47] неврологические дисфункции, [48] и гормональные изменения. Хорошо известным примером влияния биомагнификации на здоровье в последнее время является возросшее воздействие опасно высоких уровней ртути в рыбе , которая может повлиять на половые гормоны у людей. [49]
В попытках исправить ущерб, нанесенный медленно разлагающимися пластиками, моющими средствами, металлами и другими загрязнителями, созданными людьми, экономические затраты стали вызывать беспокойство. Морской мусор, в частности, особенно сложно поддавать количественной оценке и анализу. [50] По оценкам исследователей из Института мировой торговли , стоимость инициатив по очистке (особенно в океанских экосистемах) достигла почти тринадцати миллиардов долларов в год. [51] Основная проблема связана с морской средой, при этом наибольшие усилия по очистке сосредоточены вокруг мусорных пятен в океане. В 2017 году в Тихом океане было обнаружено мусорное пятно размером с Мексику . По оценкам, его площадь превышает миллион квадратных миль. Хотя патч содержит более очевидные примеры мусора (пластиковые бутылки, банки и пакеты), крошечный микропластик практически невозможно убрать. [52] National Geographic сообщает, что в уязвимую окружающую среду попадает еще больше небиоразлагаемых материалов – почти тридцать восемь миллионов штук в год. [53]
Материалы, которые не разложились, также могут служить убежищем для инвазивных видов, таких как трубчатые черви и ракушки. Когда экосистема меняется в ответ на инвазивные виды, изменяются резидентные виды и естественный баланс ресурсов, генетическое разнообразие и видовое богатство. [54] Эти факторы могут поддержать местную экономику в сфере охоты и аквакультуры, которые страдают в ответ на изменения. [55] Аналогичным образом, прибрежные сообщества, которые в значительной степени полагаются на экотуризм, теряют доходы из-за накопления загрязнения, поскольку их пляжи или берега больше не желательны для путешественников. Институт мировой торговли также отмечает, что общины, которые часто ощущают на себе большую часть последствий плохого биоразложения, являются более бедными странами, не имеющими средств для оплаты их очистки. [51] В результате эффекта петли положительной обратной связи у них, в свою очередь, возникают проблемы с контролем собственных источников загрязнения. [56]
Первое известное использование термина «биоразлагаемый» в биологическом контексте было в 1959 году, когда оно использовалось для описания разложения материала на безобидные компоненты микроорганизмами . [57] Сейчас биоразлагаемость обычно ассоциируется с экологически чистыми продуктами, которые являются частью естественных циклов Земли, таких как углеродный цикл , и способны разлагаться обратно на природные элементы.