Биоразградување

Биоразградување — разградување на органска материја од микроорганизми, како што се бактерии и габи.^{[б 1][2]} Генерално се претпоставува дека претставува природен процес, што го разликува од компостирањето. Компостирањето е процес управуван од човекот во кој биоразградувањето се случува под специфични околности.

Жолта слузлива габа расте на канта со влажна хартија

Процесот на биоразградување е троен: најпрвин, објектот претрпува биодеградација, што е механичко слабеење на неговата структура; потоа следи биофрагментација, што е разградување на материјалите од страна на микроорганизми; и конечно асимилација, што е приклучување на стариот материјал во нови клетки.

Во пракса, речиси сите хемиски соединенија и материјали претставуваат предмет на биоразградливост, а клучниот елемент е времето. Работи како зеленчукот може да се разградат за неколку дена, додека на стаклото и некои пластики им се потребни многу милениуми за да се разградат. Стандард за биоразградливост што употребува Европската Унија е дека повеќе од 90% од оригиналниот материјал мора да се претвори во CO
2, вода и минерали преку биолошки процеси во рок од 6 месеци.

Механизми

Процесот на биоразградување може да се подели во три фази: биодеградација, биофрагментација и асимилација.^[3] Биодеградацијата понекогаш се опишува како деградација на површинско ниво што ги модифицира механичките, физичките и хемиските својства на материјалот. Оваа фаза се јавува кога материјалот е изложен на абиотички фактори во надворешната средина и овозможува понатамошна деградација со ослабување на структурата на материјалот. Некои абиотски фактори кои влијаат на овие почетни промени се компресијата (механичка), светлината, температурата и хемикалиите во околината.^[3] Иако биодеградацијата обично се јавува како прва фаза на биодеградација, во некои случаи може да биде паралелна со биофрагментацијата.^[4] Сепак, Хјук,^[5] ја дефинирал биодеструкцијата како непожелно дејство на живите организми врз материјалите на човекот, што вклучува работи како што се распаѓање на камени фасади на згради,^[6] корозија на метали од микроорганизми или единствено естетски промени предизвикани од вештачки структури од растот на живи организми.^[6]

Биофрагментацијата на полимер претставува литички процес во кој врските во полимерот се раскинуваат, генерирајќи олигомери и мономери на негово место. Чекорите што се преземаат за фрагментирање на овие материјали исто така се разликуваат врз основа на присуството на кислород во системот. Разградувањето на материјалите од страна на микроорганизми кога е присутен кислород е аеробно варење, а разградувањето на материјалите кога не е присутен кислород е анаеробно варење.^[7]Главната разлика помеѓу овие процеси е во тоа што анаеробните реакции произведуваат метан, додека аеробните реакции не (сепак, обете реакции произведуваат јаглерод диоксид, вода, некаков вид остаток и нова биомаса).^[8] Покрај тоа, аеробното варење обично се случува побрзо од анаеробното варење, додека анаеробното варење подобро го намалува волуменот и масата на материјалот. Поради способноста на анаеробното варење да го намали обемот и масата на отпадните материјали и да произведе природен гас, технологијата на анаеробното варење е широко користена за системи за управување со отпад и како извор на локална, обновлива енергија.^[9]

Во фазата на асимилација, добиените производи од биофрагментацијата потоа се интегрираат во микробните клетки. Некои од производите од фрагментацијата лесно се пренесуваат во клетката преку мембрански носачи. Сепак, други сè уште мора да поминат низ реакции на биопреобразба за да произведат производи што потоа можат да се пренесат во клетката. Откако ќе влезат во клетката, производите влегуваат во катаболни патишта кои водат до производство на аденозин трифосфат (ATP) или елементи од структурата на клетките.

Аеробна биоразградлива равенка

C_{полимер} + O₂ → C_{остаток} + C_{биомаса} + CO₂ + H₂O

Анаеробна биоразградлива равенка

C_{полимер} → C_{остаток} + C_{биомаса} + CO₂ + CH₄ + H₂O

Фактори што влијаат на стапката на биоразградливост

Просечно проценето време на распаѓање на типични морски отпадоци. Пластичните предмети се прикажани со сина боја.

Во практика, речиси сите хемиски соединенија и материјали претставуваат предмет на процеси на биоразградливост. Сепак, значењето е во релативните стапки на таквите процеси, како што се денови, недели, години или векови. Голем број фактори ја одредуваат брзината со која се случува оваа деградација на органските соединенија. Факторите вклучуваат светлина, вода, кислород и температура.^[10] Стапката на разградување на многу органски соединенија е ограничена од нивната биорасположливост, што е стапката со која супстанцијата се впива во системот или станува достапна на местото на физиолошка активност,^[11] бидејќи соединенијата мора да се ослободат во раствор пред организмите да можат да ги разградат. Стапката на биоразградливост може да биде измерена на повеќе начини. Респирометриските тестови може да се употребат за аеробни микроби. Прво, примерок од цврст отпад се става во сад со микроорганизми и почва, а потоа смесата се аерира. Во текот на неколку дена, микроорганизмите го вариат примерокот малку по малку и произведуваат јаглерод диоксид – добиената количина на CO₂ служи како инструмент за деградација. Биоразградливоста може да биде измерена и со анаеробни микроби и количината на метан или легура што тие се способни да ја произведат.^[12]

Важно е да се забележат факторите што влијаат на стапките на биоразградливост за време на тестирањето на производот за да се осигури дека добиените резултати се точни и сигурни. Неколку материјали ќе се тестираат како биоразградливи под оптимални услови во лабораторија за одобрување, но овие резултати може да не ги одразуваат резултатите од реалниот свет каде што факторите се попроменливи.^[13] На пример, материјал кој можеби е тестиран како биоразградлив со висока брзина во лабораторија, можеби нема да се разгради со висока брзина на депонија бидејќи на депониите честопати им недостасува светлина, вода и микробна активност кои се неопходни за да се случи деградацијата.^[14] Затоа, многу е важно да постојат стандарди за биоразградливи пластични производи, кои имаат големо влијание врз животната средина. Развојот и употребата на точни стандардни методи за тестирање може да помогне да се осигура дека сите пластики што се произведуваат и комерцијализираат всушност ќе се биоразградат во природни средини.^[15] Еден тест што е развиен за оваа намена е DINV 54900.^[16]

Неодамнешните достигнувања овозможиле следење на биоразградбата на полимерите во реално време со користење на биосензори во комбинација со машинско учење, подобрувајќи ја точноста на проценките на деградацијата под различни услови на животната средина.^[17]

Приближно време за биоразградување на соединенијата во морска средина ^[18]

Производ	Време за биоразградување
Тоалетна хартија	2–4 недели
Весник	6 недели
Јадро на јаболко	2 месеци
Картонска кутија	2 месеци
Картон за млеко обложен со восок	3 месеци
Памучни ракавици	1–5 месеци
Волнени ракавици	1 година
Шперплоча	1–3 години
Насликани дрвени стапчиња	13 години
Пластични кеси	10–20 години
Лимени конзерви	50 години
Пелени за еднократна употреба	50–100 години
Пластично шише	100 години
Алуминиумски конзерви	200 години
Стаклено шише	Неопределено

Временска рамка за разградување на вообичаените предмети во копнена средина

Зеленчук	5 дена - 1 месец
Хартија	2–5 месеци
Памучна маица	6 месеци
Кори од портокал	6 месеци
Лисја од дрвја	1 година
Волнени чорапи	1–5 години
Картонски кутии за млеко обложени со пластика	5 години
Кожни чевли	25–40 години
Најлонска ткаенина	30–40 години
Лимени конзерви	50–100 години
Алуминиумски конзерви	80–100 години
Стаклени шишиња	1 милион години
Чаша од стиропор	500 години до засекогаш
Пластични кеси	500 години до засекогаш

Пластика

Терминот биоразградлива пластика се однесува на материјали кои ја задржуваат својата механичка цврстина за време на практичната употреба, но се распаѓаат на соединенија со мала тежина и нетоксични нуспроизводи по нивната употреба.^[19] Ова распаѓање е овозможено преку напад на микроорганизми врз материјалот, кој обично е полимер кој не е растворлив во вода. Ваквите материјали може да се добијат преку хемиска синтеза, ферментација од микроорганизми и од хемиски модифицирани природни производи.^[20]

Пластиката се биоразградува со многу променливи стапки. Водоводните цевки на база на ПВЦ се избираат за ракување со отпадни води бидејќи ПВЦ е отпорен на биоразградливост. Од друга страна, се развиваат некои материјали за пакување кои лесно би се распаднале по изложеност на животната средина.^[21] Примери за синтетички полимери кои брзо се биоразградуваат вклучуваат поликапролактон, други полиестери и ароматични-алифатични естри, бидејќи нивните естерски врски се подложни на дејство на вода. Значаен пример е поли-3-хидроксибутиратот, полилактична киселина добиена со обновлив извор. Други се целулозен ацетат и целулоид (целулозен нитрат) на база на целулоза

Полилактичната киселина е пример за пластика која брзо се биоразградува..

Под услови на ниско ниво на кислород, пластиката се распаѓа побавно. Процесот на распаѓање може да се забрза во специјално дизајнирана компостна грамада. Пластиката на база на скроб ќе се разгради во рок од два до четири месеци во домашна канта за компост, додека полилактичната киселина е во голема мера неразградена, што бара повисоки температури.^[22] Поликапролактонот и композитите од поликапролактон-скроб се распаѓаат побавно, но содржината на скроб го забрзува распаѓањето оставајќи порозен поликапролактон со голема површина. Сепак, потребни се многу месеци.^[23]

Во 2016 година, било откриено дека бактерија наречена Ideonella sakaiensis може да биоразгради полиетилен терефталат (ПЕТ). Во 2020 година, ензимот на бактеријата што го разградува ПЕТ, ПЕТаза, бил генетски модифициран и комбиниран со МХЕТаза за побрзо разградување на ПЕТ, а исто така и разградување на ПЕТ.^[24][25][26] Во 2021 година, истражувачите објавиле дека мешавина од микроорганизми на крави може да разградат три вида пластика.^[27][28]

Многу производители на пластика отишле дотаму што дури велат дека нивната пластика е компостирачка, обично наведувајќи го пченкарниот скроб како состојка. Сепак, овие тврдења се сомнителни бидејќи индустријата за пластика работи според сопствена дефиниција за компостирање:

„она што е способно да претрпи биолошко распаѓање на место за компостирање, така што материјалот не е визуелно препознатлив и се разградува на јаглерод диоксид, вода, неоргански соединенија и биомаса со брзина што е во согласност со познатите компостирачки материјали.“ (навод: ASTM D 6002^[29]

Терминот „компостирање“ често се користи неформално за да се опише биоразградувањето на материјалите за пакување. Постојат законски дефиниции за компостирање, процесот што води до компост. Европската Унија нуди четири критериуми:^[30][31]

1. Хемиски состав: испарливи материи и тешки метали, како и флуор, треба да се ограничат.
2. Разградливост: најмалку 90% од оригиналната маса треба да се распадне на честички што можат да поминат низ сито од 2x2 mm.
3. Биоразградливост: претворање на >90% од оригиналниот материјал во CO
   2, и минерали преку биолошки процеси во рок од 6 месеци.
4. Квалитет: отсуство на токсични супстанции и други супстанции што го попречуваат компостирањето.

Белешки

1. Меѓународниот сојуз за чиста и применета хемија ја дефинира биоразградбата како „разградување предизвикано од ензимски процес што произлегува од дејството на клетките“ и забележува дека дефиницијата е „изменета за да се исклучат абиотските ензимски процеси“.^[1]