БИОРАЗЛАГАЕМАЯ ПЛАСТМАССА - РЕШЕНИЕ ГЛОБАЛЬНОЙ ПЛАСТИКОВОЙ ПРОБЛЕМЫ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 691.175

Колбасина Ю.С.

студентка, кафедры пищевой безопасности, направления подготовки: техносферная безопасность, профиля: безопасность промышленных процессов и производств, Московский государственный университет пищевых производств

(г. Москва, Россия)

Соседенко Т.Ю.

старший преподаватель, преподаватель (СПО) кафедры пищевой безопасности Московский государственный университет пищевых производств

(г. Москва, Россия)

БИОРАЗЛАГАЕМАЯ ПЛАСТМАССА - РЕШЕНИЕ ГЛОБАЛЬНОЙ ПЛАСТИКОВОЙ ПРОБЛЕМЫ

Аннотация: актуальность выбранной темы обусловлена необходимостью рассмотреть биоразлагаемую пластмассу в качестве решения глобальной пластиковой проблемы и определить нужна ли она обществу.

Ключевые слова: биопластик, биоразложение, молекула, переработка, пластик, почва, проблема, рынок, свалка, спрос.

Введение

Традиционные пластмассы, получаемые из ископаемого топлива, представляют собой семейство из сотен материалов с широким диапазоном свойств. Их прочность, гибкость, малый вес, а также простота и дешевизна производства делают их идеальными материалами для применения в большом количестве промышленных и потребительских товаров. Благодаря своей универсальности пластмассы являются ключевыми материалами для упаковки,

строительства, транспорта, медицинских устройств и т. д. В 2016 году во всем мире было произведено 335 млн тонн пластика, что отражает его популярность и широкое применение [1]. Пластмассы помогают обществу сократить количество пищевых отходов, например, обеспечивая лучшие барьерные свойства и тем самым замедляя порчу продуктов. Они также позволяют экономить энергию на транспорте и, таким образом, снижают выбросы парниковых газов (ПГ).

Однако большая часть производимого пластика — это одноразовый пластик. Примерно 40% производимого пластика идет на упаковочный сектор [1]. Термопласты полиэтилен (ПЭ), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полипропилен (1111) и полистирол (ПС) являются наиболее часто используемыми пластиками в упаковке, и в 2016 г. на их долю приходилось более 60% общего спроса на пластики в Европе [1]. Это, в сочетании с культурой одноразового использования, влечет за собой два основных последствия: загрязнение и потерю ценного ресурса. В ЕС 70 % собранных пластиковых отходов попадает на свалки или сжигается [2]. В США 53% всех твердых бытовых отходов (ТБО) вывозятся на свалки, при этом пластиковые отходы составляют 13% ТБО [3]. Потенциал переработки пластиковых отходов остается в значительной степени неиспользованным, при очень низких мировых показателях переработки [4], а переработка пластика составляет всего 6% от общего спроса на пластик [5]. Высокая цена и низкое качество переработанного пластика по сравнению с первичным пластиком ограничивает применение на рынке.

Биодеградация пластмасс на масляной основе

Долговечность пластика является основным препятствием для его деградации в окружающей среде. Однако некоторая деградация все же происходит. Деградация пластика на масляной основе включает совместное воздействие биотических и абиотических факторов. Абиотическая деградация включает в себя физические и химические процессы, вызывающие внутримолекулярные изменения в полимере [9], в том числе разрыв связей,

химическое превращение или образование новых химических групп и, следовательно, изменение их механических, оптических и электрических свойств. Добавление фото- или термоокислителей к полимерам может активировать абиотическую деградацию и, как предполагается, способствует дальнейшей деградации посредством микробного метаболизма [4].

Биоразложение определяется как способность микроорганизма или микробного консорциума использовать полимер в качестве единственного источника углерода и энергии. В то время как биоразложение традиционных пластиков широко изучалось, сообщалось об ограниченной минерализации (преобразование в биомассу, CO2, H2O или CH4) пластиков на масляной основе. В целом, биодеградация пластмасс на масляной основе требует активности нескольких различных микроорганизмов [8]. На степень биодеградации влияют характеристики полимера и микроорганизмы, присутствующие в определенной среде. Кристалличность, молекулярная масса, гидрофобность, наличие функциональных групп и использование добавок и пластификаторов в процессе изготовления влияют на биоразлагаемость полимеров. Например, увеличение кристалличности и молекулярной массы негативно повлияет на биодеградацию. С другой стороны, предварительная обработка полимера, такая как облучение, увеличивает биодеградацию [2]. В целом ПЭТФ, имеющий гидролизуемые связи, более подвержен биоразложению по сравнению с ПЭ, ПС, 1111 и поливинилхлоридом (ПВХ) [2]. Гидролиз ПЭТ грибами Fusarium oxysporum LCH1 и Fusarium solani был продемонстрирован по высвобождению терефталевой кислоты (ТК), одного из мономеров ПЭТ. Однако не было показано, поддерживает ли ТА рост этих грибов. Точно так же исследование Нимчуа и его сотрудников показало, что 22 из 115 изолятов микрогрибов обладали способностью модифицировать ПЭТ-пленки, но минерализация полимера не была показана. Недавно из образца окружающей среды, загрязненного ПЭТ, была выделена бактерия Ideonella sakaiensis, и было показано, что она не только разлагает ПЭТ, но и ассимилирует мономеры [5].

Однако материал ПЭТФ, использованный в этом исследовании, имел очень низкую кристалличность 1,9%, что не отражает тип ПЭТФ, используемый для упаковки, который имеет гораздо более высокую степень кристалличности (3040%). Низкая кристалличность делает полимер более восприимчивым к деградации. Основными проблемами биоразложения пластиков на масляной основе микроорганизмами являются ограниченная биодоступность и нерастворимость полимера в воде, что ограничивает доступ к полимеру ферментов, участвующих в разрушении.

Биопластики и биодеградация

Полимеры на биологической основе (биопластики) частично или полностью получают из биомассы. Биопластики могут способствовать сокращению выбросов парниковых газов в результате потребления CO2 при выращивании сельскохозяйственных культур, используемых для производства сахаров, присутствующих в биомассе, для производства биопластиков. Однако происхождение на биологической основе не означает, что пластик на биологической основе также является биоразлагаемым. Биоразлагаемость — это характеристика, связанная с химической природой полимера и условиями окружающей среды, в которых находится пластик. Стопроцентный полиэтилен на биологической основе (био-ПЭ) и полиэтилентерефталат на биологической основе (био-ПЭТФ) не поддаются биологическому разложению [5]. Их химическая структура не отличается от ПЭТ и ПЭ на масляной основе. Полиэтилен-2,5-фурандикарбоксилат (ПЭФ) имеет биооснову, но, как и ПЭТ, не поддается биологическому разложению. Фермент IsPETase, для которого показано, что он гидролизует ПЭТ, в лабораторных условиях также гидролизует ПЭФ, но степень деградации ограничена [6]. Биоразлагаемые пластики, такие как термопластичный крахмал (TPS), полимолочная кислота (PLA) и полигидроксиалканоат (PHA), могут быть получены из возобновляемых ресурсов и, таким образом, являются биоразлагаемыми пластиками, но существуют и другие биоразлагаемые материалы, полученные из ископаемого

углерода, например, поликапролактон (PCL) и полибутиленадипаттерефталат (PBAT) [5]. Низкая температура плавления 60 °C и обилие организмов, разлагающих ПКЛ, предлагаются в качестве ключевых особенностей, обеспечивающих биодеградацию ПКЛ.

Будет ли материал полностью биоразлагаться (т. е. минерализоваться) в определенной среде, зависит от его кристалличности, наличия добавок, присутствия соответствующих микроорганизмов, температуры, влажности и pH окружающей среды [9]. Это говорит о том, что пластик может быть биоразлагаемым в одной, но не в другой среде. Поэтому крайне важно оценить поведение различных биоразлагаемых пластмасс в различных средах и определить, демонстрируют ли пластмассы полное биоразложение и при каких условиях.

Полимолочная кислота (PLA), один из основных биопластиков на рынке, производится путем сочетания ферментации сахаров на биологической основе (для производства молочной кислоты) и химического превращения молочной кислоты или лактида в PLA. Основной областью применения PLA является упаковка [10]. PLA обладает высокой степенью кристалличности, что придает ему желаемые свойства для приложений. Однако для биоразложения требуются более высокие температуры. Хотя микроорганизмы и ферменты, участвующие в деградации PLA, известны, неферментативный гидролиз PLA является основным путем деградации [5]. Недавно мы проанализировали различные биоразлагаемые пластики на биологической и ископаемой основе на предмет биоразложения в семи средах и показали, что PLA соответствует международным стандартам биоразложения в условиях промышленного компостирования и анаэробного сбраживания [3]. Мы наблюдали очень медленную скорость разложения PLA в почве, на основании чего мы оцениваем, что для биоразложения PLA в почве потребуется более трех десятилетий.

Механические свойства PLA можно улучшить путем смешивания с такими полимерами, как крахмал, полипропиленкарбонат, метакрилат-бутадиен-

стирол, натуральный каучук, PS и PHA, а также путем изготовления композитов PLA с различными волокнами и т. д. Судьба нового композита, созданного путем смешивания, может полностью отличаться от судьбы чистого полимера. Мы продемонстрировали, что добавление PCL к PLA не только улучшает свойства материала смеси, но и делает этот материал компостируемым в домашних условиях [10]. Возможность компостирования пластмасс на основе PLA в домашних условиях представляет собой захватывающую перспективу, поскольку она позволит избежать сбора и транспортировки упаковочного материала на промышленное предприятие по компостированию, тем самым снизив выбросы парниковых газов, связанные со сбором на обочине, а также предложит потребителям больший выбор для управления своими отходами. Таким образом, продуманный дизайн пластика может открыть новые возможности для обращения с биопластиком после его потребления.

Однако с биоразлагаемыми пластиками необходимо обращаться, и их нельзя рассматривать как простое решение текущих проблем пластикового загрязнения. Смесь PLA/PCL, которую можно компостировать в домашних условиях, не подвергается биодеградации в почвенной или водной среде, что подчеркивает важность влияния окружающей среды на биоразлагаемость биоразлагаемых пластиков [2] и необходимость управления нашими отходами. Таким образом, оценка биоразлагаемости отдельных биопластиков и их смесей в различных средах имеет жизненно важное значение, поскольку неконтролируемый выброс биоразлагаемых пластиков в окружающую среду, уже подверженную опасности пластикового загрязнения, например, в морскую или пресную воду, создаст проблемы, аналогичные проблемам, вызываемым неразлагаемыми полимерами. [7].

Временные рамки для биоразложения имеют решающее значение для определения пригодности пластика для конкретной технологии управления по окончании срока службы или его вероятной судьбы в окружающей среде. Если микроорганизмы и, следовательно, ключевые ферменты, участвующие в

биоразложении, присутствуют, но скорость разложения настолько низка, что существенно не отличается от неразлагаемых аналогов, то ограниченная способность к биоразложению не приносит пользы окружающей среде или управлению. биоразлагаемых отходов. В соответствии с действующими в настоящее время международными стандартами (ISO и ASTM) предполагаемый срок биоразложения в водной среде составляет 56 дней, а в почве — до 2 лет. В регулируемых средах, таких как промышленное компостирование, домашнее компостирование и анаэробное сбраживание, предлагаемые временные рамки составляют 180 дней, 1 год и 15 дней соответственно [9].

Циркулярная экономика

Экономика замкнутого цикла фокусируется на сохранении стоимости в материальном цикле за счет повторного использования и переработки таких материалов, как пластик, и предотвращения их неконтролируемого выброса в окружающую среду [7]. Экономика замкнутого цикла ориентирована на переработку пластика.

Текущий пробел в мышлении экономики замкнутого цикла в отношении пластмасс - это роль биоразлагаемых пластмасс в экономике замкнутого цикла. Во-первых, биоразлагаемые пластики, такие как PLA, могут быть механически переработаны, но также могут быть преобразованы с помощью биологических процессов, при которых углерод может быть возвращен в природу безопасным и устойчивым способом, например, путем компостирования, которое занимает центральное место в экономике замкнутого цикла. Мы также сообщали о сочетании пиролиза и микробиологии для преобразования неразлагаемых пластмасс в биоразлагаемые пластмассы, предлагая нетрадиционный путь перехода неразлагаемых пластмасс из технической части экономики замкнутого цикла в биологическую половину. Если улучшить активность ферментов, то можно предвидеть, что ферментные технологии войдут в техническую часть (т.е. пиролиз и деполимеризация пластмасс) экономики замкнутого цикла в будущем [2]. Образовавшиеся мономеры можно было бы использовать для производства

более биоразлагаемых пластиков, что представляло бы собой полностью биологическую переработку пластика в экономике замкнутого цикла. Интеграция гидролитических ферментов в микробное шасси приведет к созданию специальной микробной платформы, способной превращать пластик в биоразлагаемые аналоги в одной клетке [3].

Заключение

Решение проблемы пластиковых отходов требует серьезных изменений в поведении человека, что в сочетании с технологическими решениями может решить проблему пластиковых отходов, но последнее будет в значительной степени неэффективным без первого. Отношение общества к выбросам должно измениться, и мы не должны рассматривать биоразлагаемый пластик как технологическое решение, освобождающее нас от ответственности за окружающую среду. Прогнозируемое длительное время пребывания большинства биоразлагаемых пластмасс в природе ясно указывает на то, что эти пластмассы должны управляться обществом и не выбрасываться в окружающую среду. Таким образом, биоразлагаемые пластмассы не предлагают обществу решение «продолжать выбрасывать», а, скорее, они могут предложить человечеству новые варианты обращения с пластиковыми отходами в конце срока службы, которые приносят пользу благодаря удобрению на биологической основе (компост), биогазу (возобновляемая энергия) или химические вещества, такие как жирные кислоты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Вопросы и ответы: Европейская стратегия в отношении пластмасс // Европейская комиссия URL: https://environment.ec.europa.eu/strategy/plastics-strategy_en (дата обращения: 22.10.2022).

2. Линда Гербер Вандорен, Рой Пасманик, Фелипе А Бикальо, Джефферсон У. Тестер, Дебора Л. Келлс Перспективы рекуперации энергии при

гидротермальной и биологической переработке отходов биомассы // Технология биоресурсов. - США: ScienceDirect, 2017

3. Микихито Фудзисава, Хирофуми Хираи, Томоаки Нисида Разложение полиэтилена и нейлона-66 системой Лакказа-медиатор // Журнал полимеров и окружающей среды. - Япония: SpringerLink, 2001

4. Мириам Гофф, Патрик Г., Уорд Кевин, Э. О'Коннор Улучшение превращения полистирола в полигидроксиалканоат путем манипулирования микробиологическим аспектом процесса: стратегия подачи азота для бактериальных клеток в резервуарном реакторе с перемешиванием // Журнал биотехнологии. - Ирландия: ScienceDirect, 2007

5. Мурали М. Реддья, Сингаравелу, Вивекананд Ханаб, Манджушри Мисра А. Б. Суджата, К. Бхатия к Амар, К. Мохантьяб Пластмассы на биопластике и бионанокомпозиты: текущее состояние и будущие возможности // Прогресс в науке о полимерах. - США: ScienceDirect, 2013

6. Норт Э.Дж., Халден РУ Пластмассы и здоровье окружающей среды: путь вперед // Восстановите здоровье окружающей среды. - Берлин: Вальтер де Грюйтер, 2013

7. С. Лата Верма, П. Маршнер Влияние компоста на микробную биомассу и почвенные пулы в зависимости от размера частиц и свойств почвы // Журнал почвоведения и питания растений. - Аделаида, Австралия: SciElo, 2013

8. Суссареллу Р., Сюке М., Томас У, Ламберт С Пластмассы и здоровье окружающей среды: путь вперед // На размножение устриц влияет воздействие микропластиков из полистирола. - Канада: PNAS, 2015

9. Тидарат Нимчуа, Дуглас Э Эвелей, Уса Сангватанарой, Хунса Пуннапаяк Скрининг тропических грибов, продуцирующих полиэтилентерефталат-гидролизующий фермент для модификации тканей // Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии. - Англия: SIMB, 2015

10. Чиен-Чунг Ченг, Джу-Ю Чуэ, Хоу Ценг, Хо-Мин Хуан, Шен-Ян Ли Приготовление и характеристика биоразлагаемых PLA-полимерных смесей // Биоматериалы. - Тайвань: ScienceDirect, 2003

Kolbasina Yu.S.

Moscow State University of Food Production (Moscow, Russia)

Neighborenko T.Yu.

Moscow State University of Food Production (Moscow, Russia)

BIODEGRADABLE PLASTIC IS SOLUTION TO GLOBAL PLASTIC PROBLEM

Abstract: the relevance of the chosen topic is due to the need to consider biodegradable plastic as a solution to the global plastic problem and determine whether society needs it.

Keywords: bioplastics, biodegradation, molecule, recycling, plastic, soil, problem, market, landfill, demand.