Biodegradare - Biodegradation

Mucegai galben de nămol care crește pe un coș de hârtie umedă

Biodegradarea este descompunerea materiei organice de către microorganisme , cum ar fi bacteriile și ciupercile .

Mecanisme

Procesul de biodegradare poate fi împărțit în trei etape: biodeteriorarea, biofragmentarea și asimilarea . Biodeteriorarea este uneori descrisă ca o degradare la nivelul suprafeței care modifică proprietățile mecanice, fizice și chimice ale materialului. Această etapă apare atunci când materialul este expus la factori abiotici în mediul exterior și permite degradarea suplimentară prin slăbirea structurii materialului. Unii factori abiotici care influențează aceste modificări inițiale sunt compresia (mecanică), lumina, temperatura și substanțele chimice din mediu. Deși biodeteriorarea apare de obicei ca prima etapă a biodegradării, în unele cazuri poate fi paralelă cu biofragmentarea. Cu toate acestea, Hueck a definit Biodeteriorarea ca acțiunea nedorită a organismelor vii asupra materialelor omului, implicând lucruri precum defalcarea fațadelor de piatră ale clădirilor, coroziunea metalelor de către microorganisme sau doar modificările estetice induse asupra structurilor artificiale prin creșterea organismelor vii. .

Biofragmentarea unui polimer este procesul litic în care legăturile dintr-un polimer sunt clivate, generând oligomeri și monomeri în locul acestuia. Pașii luați pentru fragmentarea acestor materiale diferă, de asemenea, în funcție de prezența oxigenului în sistem. Defalcarea materialelor de către microorganisme atunci când este prezent oxigen este digestia aerobă , iar defalcarea materialelor atunci când oxigenul nu este prezent este digestia anaerobă . Principala diferență dintre aceste procese este că reacțiile anaerobe produc metan , în timp ce reacțiile aerobe nu (cu toate acestea, ambele reacții produc dioxid de carbon , apă , un anumit tip de reziduu și o nouă biomasă ). În plus, digestia aerobă apare de obicei mai rapid decât digestia anaerobă, în timp ce digestia anaerobă face o treabă mai bună reducând volumul și masa materialului. Datorită capacității digestiei anaerobe de a reduce volumul și masa materialelor reziduale și de a produce un gaz natural, tehnologia digestiei anaerobe este utilizată pe scară largă pentru sistemele de gestionare a deșeurilor și ca sursă de energie regenerabilă locală.

În etapa de asimilare, produsele rezultate din biofragmentare sunt apoi integrate în celulele microbiene . Unele dintre produsele din fragmentare sunt ușor transportate în interiorul celulei de către purtători de membrană . Cu toate acestea, altele încă trebuie să sufere reacții de biotransformare pentru a produce produse care pot fi apoi transportate în interiorul celulei. Odată ajuns în interiorul celulei, produsele intră pe căi catabolice care fie duc la producerea de adenozin trifosfat (ATP) sau elemente ale structurii celulelor .

Formula de biodegradare aerobă

Formula de degradare anaerobă

Factori care afectează rata de biodegradare

Timpul mediu de descompunere estimat al articolelor tipice de resturi marine. Articolele din plastic sunt afișate în albastru.

În practică, aproape toți compușii și materialele chimice sunt supuse proceselor de biodegradare. Cu toate acestea, semnificația se află în ratele relative ale unor astfel de procese, cum ar fi zile, săptămâni, ani sau secole. O serie de factori determină viteza la care apare această degradare a compușilor organici. Factorii includ lumina , apa , oxigenul și temperatura. Rata de degradare a multor compuși organici este limitată de biodisponibilitatea lor, care este viteza la care o substanță este absorbită într-un sistem sau pusă la dispoziție la locul activității fiziologice, deoarece compușii trebuie eliberați în soluție înainte ca organismele să le poată degrada. Rata biodegradării poate fi măsurată în mai multe moduri. Testele de respirometrie pot fi utilizate pentru microbii aerobi . Mai întâi se plasează un eșantion de deșeuri solide într-un recipient cu microorganisme și sol, apoi se aerizează amestecul. Pe parcursul mai multor zile, microorganismele digeră eșantionul câte puțin și produc dioxid de carbon - cantitatea rezultată de CO ₂ servește ca indicator al degradării. Biodegradabilitatea poate fi măsurată și de microbi anaerobi și de cantitatea de metan sau aliaj pe care sunt capabili să o producă.

Este important de menționat factorii care afectează ratele de biodegradare în timpul testării produsului pentru a ne asigura că rezultatele obținute sunt exacte și fiabile. Mai multe materiale vor fi testate ca fiind biodegradabile în condiții optime într-un laborator pentru aprobare, dar este posibil ca aceste rezultate să nu reflecte rezultatele lumii reale în care factorii sunt mai variabili. De exemplu, un material poate fi testat ca biodegradare la o rată ridicată în laborator poate să nu se degradeze la o rată ridicată într-un depozit de deșeuri, deoarece depozitele de deșeuri deseori nu au lumină, apă și activitate microbiană, necesare pentru a se produce degradarea. Astfel, este foarte important să existe standarde pentru produsele din plastic biodegradabile, care au un impact mare asupra mediului. Dezvoltarea și utilizarea metodelor de testare standard precise pot ajuta la asigurarea faptului că toate materialele plastice care sunt produse și comercializate se vor biodegrada în mediul natural. Un test care a fost dezvoltat în acest scop este DINV 54900.

Materiale plastice

Termenul de materiale plastice biodegradabile se referă la materiale care își mențin rezistența mecanică în timpul utilizării practice, dar se descompun în compuși cu greutate redusă și subproduse netoxice după utilizare. Această defalcare este posibilă printr-un atac de microorganisme asupra materialului, care este de obicei un polimer non-solubil în apă. Astfel de materiale pot fi obținute prin sinteză chimică, fermentare de către microorganisme și din produse naturale modificate chimic.

Materiale plastice biodegradate la viteze foarte variabile. Instalațiile pe bază de PVC sunt selectate pentru manipularea apelor uzate deoarece PVC rezistă biodegradării. Unele materiale de ambalare, pe de altă parte, sunt în curs de dezvoltare, care s-ar degrada ușor la expunerea la mediu. Exemple de polimeri sintetici care se biodegradează rapid includ policaprolactonă , alți poliesteri și esteri aromatici-alifatici, datorită legăturilor lor esterice susceptibile de a fi atacate de apă. Un exemplu important este poli-3-hidroxibutiratul , acidul polilactic derivat din surse regenerabile . Alții sunt acetat de celuloză pe bază de celuloză și celuloid (azotat de celuloză).

Acidul polilactic este un exemplu de plastic care se biodegradează rapid.

În condiții de oxigen scăzut , materialele plastice se descompun mai lent. Procesul de defalcare poate fi accelerat în grămada de compost special concepută . Materialele plastice pe bază de amidon se vor degrada în termen de două până la patru luni într-un coș de compost de acasă, în timp ce acidul polilactic este în mare parte necompus, necesitând temperaturi mai ridicate. Compozitele policaprolactone și policaprolactonă-amidon se descompun mai lent, dar conținutul de amidon accelerează descompunerea lăsând în urmă o policaprolactonă cu suprafață poroasă. Cu toate acestea, durează multe luni.

În 2016, sa descoperit că o bacterie numită Ideonella sakaiensis biodegradează PET . În 2020, enzima degradantă a PET a bacteriei, PETaza , a fost modificată genetic și combinată cu MHETaza pentru a descompune PET-ul mai repede și, de asemenea, pentru a degrada PEF . În 2021, cercetătorii au raportat că un amestec de microorganisme din stomacurile de vacă ar putea descompune trei tipuri de materiale plastice.

Mulți producători de plastic au mers atât de departe chiar să afirme că materialele lor plastice sunt compostabile, menționând de obicei amidonul de porumb ca ingredient. Cu toate acestea, aceste afirmații sunt îndoielnice, deoarece industria materialelor plastice funcționează sub propria definiție a compostabilului:

„ceea ce este capabil să treacă printr-o descompunere biologică într-un sit de compost, astfel încât materialul să nu se distingă vizual și să se descompună în dioxid de carbon, apă, compuși anorganici și biomasă la o rată în concordanță cu materialele compostabile cunoscute.” (Ref: ASTM D 6002)

Termenul „compostare” este adesea folosit informal pentru a descrie biodegradarea materialelor de ambalare. Există definiții legale pentru compostabilitate, procesul care duce la compost. Uniunea Europeană oferă patru criterii:

1. Compoziția chimică : substanțele volatile și metalele grele, precum și fluorul ar trebui să fie limitate.
2. Biodegradabilitate : conversia a> 90% din materialul original în CO2, apă și minerale prin procese biologice în decurs de 6 luni.
3. Dezmembrare : cel puțin 90% din masa inițială trebuie descompusă în particule care pot trece printr-o sită de 2x2 mm.
4. Calitate : absența substanțelor toxice și a altor substanțe care împiedică compostarea.

Tehnologie biodegradabilă

Acum, tehnologia biodegradabilă a devenit o piață foarte dezvoltată, cu aplicații în ambalarea produselor , producția și medicina. Biodegradarea biomasei oferă câteva orientări. Se știe că poliesterii se biodegradează.

Oxo-biodegradarea este definită de CEN (Organizația Europeană pentru Standarde) ca „degradare rezultată din fenomene oxidative și mediată de celule, simultan sau succesiv”. Deși uneori sunt descriși ca „oxo-fragmentabili” și „oxo-degradabili”, acești termeni descriu doar prima fază sau faza oxidativă și nu trebuie utilizați pentru materialele care se degradează prin procesul de oxo-biodegradare definit de CEN: descrierea corectă este „ oxo-biodegradabil. "

Prin combinarea produselor din plastic cu molecule de polimer foarte mari, care conțin doar carbon și hidrogen , cu oxigen în aer, produsul este capabil să se descompună oriunde, de la o săptămână la unu până la doi ani. Această reacție are loc chiar și fără aditivi prodegradanți, dar cu o viteză foarte lentă. De aceea, materialele plastice convenționale, atunci când sunt aruncate, persistă mult timp în mediu . Formulările oxo-biodegradabile catalizează și accelerează procesul de biodegradare, dar este nevoie de o abilitate și experiență considerabile pentru a echilibra ingredientele din formulări, astfel încât să ofere produsului o viață utilă pentru o perioadă stabilită, urmată de degradare și biodegradare.

Tehnologia biodegradabilă este utilizată în special de comunitatea bio-medicală . Polimerii biodegradabili sunt clasificați în trei grupe: medical, ecologic și cu dublă aplicare, în timp ce din punct de vedere al originii sunt împărțiți în două grupe: natural și sintetic. Clean Technology Group exploatează utilizarea dioxidului de carbon supercritic , care sub presiune ridicată la temperatura camerei este un solvent care poate folosi materiale plastice biodegradabile pentru a face acoperiri cu medicamente polimerice. Polimerul (adică un material compus din molecule cu unități structurale repetate care formează un lanț lung) este utilizat pentru a încapsula un medicament înainte de injectare în organism și se bazează pe acid lactic , un compus produs în mod normal în organism și, astfel, este capabil să fie excretat natural. Acoperirea este proiectată pentru eliberare controlată pe o perioadă de timp, reducând numărul de injecții necesare și maximizând beneficiul terapeutic. Profesorul Steve Howdle afirmă că polimerii biodegradabili sunt deosebit de atrăgători pentru utilizarea în administrarea medicamentelor , întrucât odată introduși în organism nu necesită recuperare sau manipulare ulterioară și sunt degradați în subproduse solubile, non-toxice. Diferenți polimeri se degradează la viteze diferite în corp și, prin urmare, selecția polimerilor poate fi adaptată pentru a atinge ratele de eliberare dorite.

Alte aplicații biomedicale includ utilizarea de polimeri biodegradabili, elastici cu memorie de formă. Materialele implantabile biodegradabile pot fi folosite acum pentru proceduri chirurgicale minim invazive prin polimeri termoplastici degradabili. Acești polimeri sunt acum capabili să-și schimbe forma odată cu creșterea temperaturii, provocând capacități de memorie a formei, precum și suturi ușor degradabile. Drept urmare, implanturile se pot potrivi acum prin incizii mici, medicii pot efectua cu ușurință deformări complexe, iar suturile și alte materiale ajutătoare se pot biodegrada în mod natural după o intervenție chirurgicală finalizată.

Biodegradare vs. compostare

Nu există o definiție universală pentru biodegradare și există diferite definiții ale compostării , ceea ce a dus la o mare confuzie între termeni. Ele sunt adesea aglomerate; totuși, nu au același sens. Biodegradarea este descompunerea naturală a materialelor de către microorganisme precum bacterii și ciuperci sau alte activități biologice. Compostarea este un proces condus de om în care biodegradarea are loc într-un anumit set de circumstanțe. Diferența predominantă dintre cele două este că un proces este natural și unul este condus de om.

Materialul biodegradabil este capabil să se descompună fără o sursă de oxigen (anaerob) în dioxid de carbon, apă și biomasă, dar cronologia nu este foarte specifică. În mod similar, materialul compostabil se descompune în dioxid de carbon, apă și biomasă; totuși, materialul compostabil se descompune și în compuși anorganici. Procesul de compostare este mai specific definit, deoarece este controlat de oameni. În esență, compostarea este un proces accelerat de biodegradare datorită circumstanțelor optimizate. În plus, produsul final al compostării nu numai că revine la starea sa anterioară, dar generează și adaugă microorganisme benefice solului numit humus . Această materie organică poate fi utilizată în grădini și în ferme pentru a ajuta la creșterea plantelor mai sănătoase în viitor. Compostarea are loc mai constant într-un interval de timp mai scurt, deoarece este un proces mai definit și este accelerat de intervenția umană. Biodegradarea poate apărea în diferite perioade de timp în circumstanțe diferite, dar este menită să se producă în mod natural fără intervenția umană.

Această cifră reprezintă diferitele căi de eliminare a deșeurilor organice.

Chiar și în cadrul compostării, există circumstanțe diferite în care acest lucru poate apărea. Cele două tipuri principale de compostare sunt la domiciliu versus comerciale. Ambele produc sol sănătos pentru a fi reutilizat - principala diferență constă în ce materiale sunt capabile să intre în proces. Compostarea la domiciliu este folosită în special pentru resturi de alimente și materiale de grădină în exces, cum ar fi buruienile. Compostarea comercială este capabilă să descompună produse vegetale mai complexe, cum ar fi materialele plastice pe bază de porumb și bucăți mai mari de material, cum ar fi ramurile copacilor. Compostarea comercială începe cu o defalcare manuală a materialelor folosind o râșniță sau altă mașină pentru a iniția procesul. Deoarece compostarea la domiciliu are loc de obicei la scară mai mică și nu implică utilaje mari, aceste materiale nu s-ar descompune complet în compostarea la domiciliu. Mai mult, un studiu a comparat și a comparat compostarea casnică și industrială, concluzionând că există avantaje și dezavantaje pentru ambele.

Următoarele studii oferă exemple în care compostarea a fost definită ca un subset de biodegradare într-un context științific. Primul studiu, „Evaluarea biodegradabilității materialelor plastice în condiții de compostare simulate într-un cadru de testare de laborator”, examinează în mod clar compostarea ca un set de circumstanțe care se încadrează în categoria degradării. În plus, următorul studiu a analizat efectele biodegradării și compostării acidului polilactic reticulat chimic și fizic. Discutând în special despre compostare și biodegradare ca doi termeni diferiți. Al treilea și ultimul studiu analizează standardizarea europeană a materialelor biodegradabile și compostabile în industria ambalajelor, utilizând din nou termenii separat.

Distincția dintre acești termeni este crucială deoarece confuzia în gestionarea deșeurilor duce la eliminarea necorespunzătoare a materialelor de către oameni în fiecare zi. Tehnologia biodegradării a condus la îmbunătățiri masive în modul în care eliminăm deșeurile; există acum coșuri de gunoi, reciclare și compost pentru a optimiza procesul de eliminare. Cu toate acestea, dacă aceste fluxuri de deșeuri sunt confundate frecvent, atunci procesul de eliminare nu este deloc optimizat. Materiale biodegradabile și compostabile au fost dezvoltate pentru a se asigura că mai multe deșeuri umane sunt capabile să se descompună și să revină la starea lor anterioară sau, în cazul compostării, chiar să adauge nutrienți la sol. Când un produs compostabil este aruncat în afară de cel compostat și trimis la un depozit de deșeuri, aceste invenții și eforturi sunt irosite. Prin urmare, este important ca cetățenii să înțeleagă diferența dintre acești termeni, astfel încât materialele să poată fi eliminate în mod corespunzător și eficient.

Efecte sociale și de mediu

Poluarea cu plastic cauzată de deversarea ilegală prezintă riscuri pentru sănătatea faunei sălbatice. Animalele confundă adesea materialele plastice cu mâncarea, ducând la încurcarea intestinală. Substanțele chimice cu degradare lentă, cum ar fi bifenilii policlorurați (PCB), nonilfenolul (NP) și pesticidele care se găsesc și în materialele plastice, se pot elibera în medii și ulterior pot fi, de asemenea, ingerate de animale sălbatice.

Aceste substanțe chimice joacă, de asemenea, un rol în sănătatea umană, deoarece consumul de alimente contaminate (în procese numite biomagnificare și bioacumulare) a fost legat de probleme precum cancerul, disfuncția neurologică și modificările hormonale. Un exemplu binecunoscut al biomagnificării care afectează sănătatea în ultima perioadă este expunerea crescută la niveluri periculoase de mercur la pești , care pot afecta hormonii sexuali la om.

În eforturile de remediere a pagubelor cauzate de materialele plastice, detergenții, metalele și alți poluanți cu degradare lentă creați de oameni, costurile economice au devenit o preocupare. Deșeurile marine în special sunt dificil de cuantificat și revizuit. Cercetătorii de la World Trade Institute estimează că costul inițiativelor de curățare (în special în ecosistemele oceanice) a atins aproape treisprezece miliarde de dolari pe an. Principala preocupare provine din mediile marine, cele mai mari eforturi de curățare centrându-se în jurul petelor de gunoi din ocean. În 2017, un ocean de gunoi de mărimea Mexicului a fost găsit în Oceanul Pacific. Se estimează că are o dimensiune de peste un milion de mile pătrate. În timp ce plasturele conține exemple mai evidente de gunoi (sticle de plastic, cutii și pungi), microplasticele mici sunt aproape imposibil de curățat. National Geographic relatează că și mai multe materiale non-biodegradabile își găsesc drumul în medii vulnerabile - aproape treizeci și opt de milioane de bucăți pe an.

Materialele care nu s-au degradat pot servi, de asemenea, drept adăpost pentru speciile invazive, cum ar fi viermii tubulari și balanele. Când ecosistemul se schimbă ca răspuns la speciile invazive, speciile rezidente și echilibrul natural al resurselor, diversitatea genetică și bogăția speciilor sunt modificate. Acești factori pot sprijini economiile locale în vânătoare și acvacultură, care suferă ca răspuns la schimbare. În mod similar, comunitățile de coastă care se bazează foarte mult pe ecoturism își pierd veniturile datorită acumulării de poluare, deoarece plajele sau țărmurile lor nu mai sunt de dorit călătorilor. Institutul Mondial al Comerțului observă, de asemenea, că comunitățile care simt adesea cele mai multe efecte ale biodegradării slabe sunt țări mai sărace, fără mijloacele de a plăti pentru curățarea lor. Într-un efect de buclă de feedback pozitiv, ei au la rândul lor probleme cu controlul propriilor surse de poluare.

Etimologia „biodegradabil”

Prima utilizare cunoscută a biodegradabilului într-un context biologic a fost în 1959, când a fost folosită pentru a descrie descompunerea materialului în componente inofensive de către microorganisme . Acum biodegradabil este în mod obișnuit asociat cu produse ecologice care fac parte din ciclurile înnăscute ale pământului, cum ar fi ciclul carbonului și capabile să se descompună în elemente naturale.

Vezi si

Note

Referințe

Standarde de ASTM International

• D5210- Metoda standard de testare pentru determinarea biodegradării anaerobe a materialelor plastice în prezența nămolului de canalizare municipală
• D5526- Metoda standard de testare pentru determinarea biodegradării anaerobe a materialelor plastice în condiții de depozitare accelerată
• D5338- Metoda standard de testare pentru determinarea biodegradării aerobe a materialelor plastice în condiții de compostare controlată, încorporând temperaturi termofile
• D5511- Metoda standard de testare pentru determinarea biodegradării anaerobe a materialelor plastice în condiții de digestie anaerobă puternic solidă
• D5864- Metoda standard de testare pentru determinarea biodegradării acvatice aerobe a lubrifianților sau a componentelor acestora
• D5988- Metoda standard de testare pentru determinarea biodegradării aerobe a materialelor plastice în sol
• D6139- Metoda standard de testare pentru determinarea biodegradării acvatice aerobe a lubrifianților sau a componentelor acestora utilizând balonul Gledhill Shake
• D6006- Ghid standard pentru evaluarea biodegradabilității fluidelor hidraulice
• D6340- Metode standard de testare pentru determinarea biodegradării aerobe a materialelor plastice radiomarcate într-un mediu apos sau compost
• D6691- Metoda standard de testare pentru determinarea biodegradării aerobe a materialelor plastice în mediul marin de către un consorțiu microbian definit sau un inocul natural de apă de mare
• D6731-Metoda de testare standard pentru determinarea biodegradabilității aerobe, acvatice a lubrifianților sau a componentelor lubrifianților într-un respirometru închis
• D6954- Ghid standard pentru expunerea și testarea materialelor plastice care se degradează în mediu printr-o combinație de oxidare și biodegradare
• D7044- Specificație standard pentru fluide hidraulice rezistente la foc biodegradabile
• D7373-Metoda standard de testare pentru prezicerea biodegradabilității lubrifianților folosind un model bio-cinetic
• D7475- Metoda standard de testare pentru determinarea degradării aerobe și a biodegradării anaerobe a materialelor plastice în condiții de depozitare accelerată a bioreactorului
• D7665- Ghid standard pentru evaluarea fluidelor de transfer de căldură biodegradabile

linkuri externe

• Asociația Europeană a Bioplasticelor
• Știința materialelor plastice biodegradabile: realitatea din spatele materialului de ambalare din material plastic biodegradabil
• Definiția plasticului biodegradabil