تجزیه بیولوژیکی

. تجزیه بیولوژیکی از پلیمرها

امروزه پلی اتیلن (PE) به طور گسترده ای به عنوان مواد بسته بندی و فیلم مالچ در برنامه های کشاورزی استفاده می شود. پس از استفاده از آنها این پلیمرهای دور انداخته به یک منبع مهم آلودگی محیط زیست و آسیب رساندن به حیات وحش تبدیل شد. به منظور سرعت بخشیدن به تجزیه بیولوژیکی و کاهش هزینه، نشاسته به عنوان پلیمر ارزان، تجدید پذیر و طبیعی برای ترکیب با PE (ویلت، ۱۹۹۴) استفاده شد. به دلیل پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی قوی در نشاسته، نشاسته بومی (خام) نمی تواند به عنوان یک ماده ترموپلاستیک پردازش شود. اما نشاسته می تواند به عنوان مواد ترموپلاستیک در حضور روان کننده ها ، برای مثال، گلیسرول (Fishman, Coffin, Konstance, & Onwulata, 2000; Forssell, Mikkila¨, Moates, & Parker, 1998; Liu, Yi, & Feng, 2001), ، گلیکول (یو، گائو، و لین، ۱۹۹۶)، سوربیتول (وانگ، Shogren، و CARRIERE، ۲۰۰۰)، formamide و اوره (Ma & Yu, 2004) پردازش شود ، تجزیه یک فرایند طبیعی است که توسط آن مواد شیمیایی آلی در محیط تبدیل به ترکیبات، مواد معدنی ساده تر می شوند و از طریق چرخه عنصری مانند چرخه کربن، نیتروژن و گوگرد توزیع می شوند. تجزیه بیولوژیکی فقط می تواند در زیست کره رخ دهد زمانی که میکروارگانیسم ها نقش اصلی را در فرایند تجزیه بیولوژیکی بازی کنند.

تعدادی از مقامات استاندارد به تولید تعاریفی برای پلاستیک زیست تخریب پذیر فکر کردند و برخی از آنها در زیر ارائه شده است : [R. Chandra and Renu Rustgi 1998]

(۱) ISO 472: 1988 یک پلاستیک طراحی شده برای انجام یک تغییر قابل توجه در ساختار شیمیایی آن تحت شرایط خاص زیست محیطی در نتیجه از دست دادن برخی از خواص که ممکن است متفاوت باشد هنگامی که روش آزمون استاندارد مناسب به پلاستیک و برنامه های کاربردی آن در یک دوره زمانی که طبقه بندی آن را تعیین می کند اندازه گیری شود . تغییر در ساختار شیمیایی از عمل میکروارگانیسم های طبیعی ایجاد میشود.

۱- ASTM کمیته فرعی D20.96 طرح پیشنهادی – پلاستیک های تخریب پذیر مواد پلاستیکی هستند که تحت بریدگی ورق ها در ستون اصلی یک پلیمر از طریق شیمیایی، بیولوژیکی و / یا نیروهای فیزیکی در محیط قرار میگیرند در یک نرخی که منجر به تکه تکه شدن و یا فروپاشی پلاستیک میشوند.

۲- پلاستیک زیست تخریب پذیر جامعه ژاپن (فوکودا ۱۹۹۲) پیش نویس طرح پیشنهادی- پلاستیک زیست تخریب پذیر مواد پلیمری است که به ترکیبات وزن مولکولی کمتر تغییر شکل داده که در آن حداقل یک گام در فرایند تخریب در میان متابولیسم حضور رخ داد طبیعی ارگانیسم ها بر میدارد .

۳- DIN 103.2 گروه کاری در پلیمرهای زیست تخریب پذیر و تجزیه بیولوژیکی از یک ماده پلاستیکی فرایندی که  منجر به متابولیسم رخ داد طبیعی پایان محصول می شود.

تعریف کلی از تجزیه بیولوژیکی –  فرآیندی است که در آن باکتری ها، قارچ ها، مخمرها و آنزیم های آنها صرف یک ماده به عنوان منبع غذایی میشود به طوری که شکل اصلی خود از دست می دهد. تحت شرایط مناسب رطوبت، دما و در دسترس بودن اکسیژن، تجزیه بیولوژیکی یک فرایند نسبتا سریع است. تجزیه بیولوژیکی برای مدت محدود یک هدف معقول و منطقی برای جذب کامل و ناپدید شدن یک مقاله ترک شده غیر سمی و یا پس ماند مضر محیط زیست است.

عوامل موثر بر تجزیه بیولوژیکی

 اثر ساختار پلیمر

ماکرومولکول های طبیعی، به عنوان مثال، پروتئین، سلولز و نشاسته معمولا در سیستم های بیولوژیکی توسط هیدرولیز به دنبال آن اکسیداسیون تخریب میشوند ، بنابراین بسیاری از پلیمرهای زیست تخریب پذیر مصنوعی گزارش شده ، حاوی ارتباط هیدرولیز در طول زنجیره پلیمری هستند (هوانگ و همکاران ۱۹۷۸). از آنجا که بسیاری از واکنش های آنزیم کاتالیز در محیط های آبی رخ می دهد، شخصیت آبدوست-آبگریز پلیمرهای مصنوعی تا حد زیادی تجزیه پذیری خود را تحت تاثیر قرار می دهد. یک پلیمر حاوی هر دو بخش آبدوست و آبگریز به نظر می رسد که زیست تخریب پذیری بالاتر نسبت به پلیمرهای حاوی ساختارهای آبگریز یا آبدوست تنها دارند (Bailey و همکاران ۱۹۷۶).

پلیمر

برای این که یک پلیمر مصنوعی توسط تجزیه آنزیم تجزیه شود، زنجیره های پلیمری باید به اندازه کافی انعطاف پذیر باشند تا به سایت فعال آنزیم متناسب شوند . این حساب به احتمال زیاد برای این واقعیت است که، اگرچه پلی استر آلیفاتیک انعطاف پذیر به راحتی توسط سیستم های بیولوژیکی تخریب میشود ، پلی آروماتیک سفت و سخت تر (اتیلن ترفتالات) به طور کلی بی اثر زیستی در نظر گرفته می شود [پاتس ۱۹۸۴، TOKIWA و همکاران ۱۹۷۷].

 اثر مورفولوژی پلیمر

یکی از تفاوت های اصلی بین پروتئین و پلیمرهای مصنوعی این است که پروتئین ها واحدهای تکرار شونده معادل در امتداد زنجیره پلی پپتیدی ندارد. این نتایج بی نظمی در زنجیره پروتئینی که کمتر احتمال دارد به تبلور برسد. کاملا محتمل است که این ویژگی به آماده سازی تجزیه بیولوژیک پروتئین کمک می کند. پلیمرهای مصنوعی، از سوی دیگر، معمولا واحدهای تکرار شونده کوتاه هستند و این نظم تبلور را افزایش میدهد ، ساخت گروه هیدرولیز غیر قابل دسترس به آنزیم. این استدلال شد که پلیمرهای مصنوعی با واحدهای تکرار شونده طولانی کمتر احتمال دارد متبلور شوند و در نتیجه ممکن است زیست تخریب پذیر باشند. در واقع، یک سری از پلی (آمید-اورتان) ها هستند. به آسانی توسط subtilisin مشخص شد [هوانگ و همکاران تخریب؛ ۱۹۷۸]. تخریب شیمیایی انتخابی از نمونه های پلیمری نیمه بلورین تغییرات مشخصه خاص را نشان می دهد [Varnell و همکاران؛ سال ۱۹۸۱، بلوندل و همکاران؛ سال ۱۹۶۶، Khambatta و همکاران؛ سال ۱۹۷۶، پاتل و همکاران؛ سال ۱۹۷۵، دونگ و همکاران؛ سال ۱۹۷۵، روزنبرگ و همکاران؛ ۱۹۷۹ و Udagawa 1971].

در طول تخریب، در ابتدا تبلور نمونه به سرعت افزایش می یابد ، و سپس سطح را به یک نرخ بسیار کندتر کاهش میدهد زمانی که تبلور نزدیک ۱۰۰٪ است. این است که به ناپدید شدن نهایی قسمت های آمورف نمونه نسبت داد. اثر مورفولوژی در تخریب میکروبی و آنزیمی PCL، یک پلیمر زیست تخریب پذیر شناخته شده با تعدادی از کاربردهای بالقوه، مورد مطالعه قرار گرفته است [Fields و همکاران؛ سال ۱۹۷۴، بندیکت و همکاران ۱۹۸۳، کوک و همکاران ۱۹۸۱]. اسکن میکروسکوپ الکترونی (SEM) تخریب یک فیلم جزئی پلی کاپرولاکتون بلوری توسط درآمد حاصل قارچ های رشته ای به شیوه ای انتخابی، با مناطق آمورف در حال انحطاط قبل از تخریب منطقه کریستالی نشان داده است. میکروارگانیسم آنزیم های خارج سلولی مسئول تخریب انتخابی را تولید می کند.

انتخاب را می توان به بسته بندی دارای نظم کمتر از مناطق آمورف نسبت داد ، که اجازه دسترسی آسان تر برای آنزیم به زنجیر پلیمر را می دهد. اندازه، شکل و تعداد کریستال ها همه دارای یک اثر لفظی تحرک زنجیره ای از مناطق آمورف هستند و در نتیجه در میزان تخریب تاثیر می گذارد. این موضوع به وسیله مطالعه اثرات تغییر گرایش از طریق کشش در تخریب نشان داده شده است. تجزیه بیولوژیکی به صورت متفاوت از تخریب شیمیایی ادامه یافت. مطالعات انجام شده در تخریب توسط ۴۰٪ از حلال های متیل آمین آبی (آبدار) ، تفاوتی در تغییرات مورفولوژی و وزن مولکولی و در توانایی از عوامل تجزیه کننده برای پخش کردن در زیر لایه ها نشان داده شده است . همچنین، مشخص شد که تفاوت نرخ تخریب بین مناطق آمورف و کریستالی یکسان نیست. این آنزیم قادر به کاهش مناطق کریستالی سریع تر از متیل آمین می باشد.

کمبود تجزیه و تحلیل GPC (ژل کروماتوگرافی نفوذ کننده ) نشان می دهد که کاهش متیل آمین مناطق کریستالی، محصولات طول عرضی تکی و دوتایی را تشکیل می دهد . سیستم آنزیم، از سوی دیگر، هیچ موادی را با وزن مولکولی متوسط ​​و تغییر وزن بسیار کوچکتر با تخریب را نشان نمی دهد. این نشان می دهد که اگر چه تخریب انتخابی است، بخش های کریستالی که در مدت کوتاهی پس از پایان زنجیره ای تخریب میشوند  exoenzyme را در دسترس قرار می دهند. اندازه عرضی بلورها یک اثر قوی بر روی میزان تخریب دارند چرا که لبه کریستال که در آن تخریب مواد کریستالی صورت می گیرد، با توجه به شکل گیری کریستال است. اندازه ذرات بلورین جانبی کوچکتر سطح لبه دانه بالاتری را در حجم کلی پلیمر تولید میکند. قبل از اشباع سایت های فعال آنزیم ها ، میزان به بستر در دسترس وابسته است؛ بنابراین، نتایج اندازه دانه جانبی کوچکتر منجر به یک نرخ بالاتری از تخریب می شود. نرخ تخریب یک فیلم PCL با توجه به مجموع پلیمر صفر است، اما آن با توجه به غلظت مواد لبه دانه صفر نیست.

طرح کشیده شده فیلم PCL باعث افزایش سرعت تخریب میشود ، در حالی که بازپخت PCL باعث کاهش سرعت تخریب میشود . این احتمالا به علت تغییرات مخالف در اندازه بلورک جانبی است. در شرایط آزمایشگاهی شیمیایی و تجزیه های آنزیمی از پلیمرها، به خصوص پلی استر با توجه به ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی مورد بررسی قرار گرفت. این اغلب مشخص می شود که ترکیب کوپلیمر پایین ترین نقطه ذوب را ارائه میدهد که بیشتر مستعد ابتلا به تخریب [Zeikov و Livshitz 1987] است. کمترین نظم بسته بندی، همان طور که انتظار می رود، با سریع ترین سرعت تخریب مطابقت دارد.

 اثر وزن مولکولی:

مطالعات بسیاری در مورد اثرات وزن مولکولی فرآیندهای زیستی و تجزیه بیولوژیکی در وجود دارد. بسیاری از تفاوت های مشاهده شده را می توان به تشخیص تغییرات محدود در طول تخریب، و یا، حتی در اغلب موارد ، تفاوت در مورفولوژی و آب دوستی-آب گریزی از نمونه های پلیمری با وزن مولکولی متفاوت نسبت داد. میکروارگانیسم ها هر دو مورد exoenzymes [پلیمرهای تجزیه پذیر از گروه های ترمینال (داخل)] و HIDDEN-آنزیم ها (پلیمر تجزیه پذیر به صورت تصادفی در امتداد زنجیره ای) را تولید می کنند. یکی ممکن است یک اثر بزرگ مولکولی بر روی میزان تخریب در مورد exoenzymes و اثر وزن مولکولی نسبتا کوچک در مورد endoenzymes انتظار داشته باشد. پلاستیک از حمله میکروبی نسبتا مصون باقی می ماند تا زمانی که وزن مولکولی آنها بالا باقی بماند.

بسیاری از پلاستیک، مانند PE، PP و PS رشد میکروبی را پشتیبانی نمی کنند. هیدروکربن های با وزن مولکولی کم، با این حال، می توانند با میکروب ها تجزیه شوند. آنها توسط سلولهای میکروبی گرفته شده، ‘فعال شده’ توسط ضمیممه شدن به oenzyme-A، و به متابولیت های سلولی در داخل سلول تیدیل شده اند. با این حال، این فرآیند به خوبی عمل نمی کند (اگر به صورت کلی در نظر بگیریم) در یک محیط خارج سلولی و مولکول های پلاستیکی برای ورود به سلول بیش از حد بزرگ می باشد. این مشکل با مولکول های طبیعی، مانند نشاسته و سلولز بوجود نمی آیند ، چرا که تبدیل به اجزای با وزن مولکولی پایین توسط واکنش های آنزیمی در خارج از سلول میکروبی رخ می دهد. تخریب نوری و یا شیمیایی ممکن است وزن مولکولی را به نقطه ای که حمله میکروبی می تواند ادامه پیدا کند را کاهش دهد.

حدود بالا وزن مولکولی، فراتر از آنکه جذب و تخریب داخل سلولی رخ ندهد، برای همه مواد ALKANE مشتق شده مشخص نشده است. تخریب بسیار کند پارافین، گلیکول PE، و آلکیل خطی بنزن سولفونات زمانی رخ می دهد که طول زنجیره پلیمر از ۲۴-۳۰ اتم کربن بیشتر باشد[واکر و همکاران ۱۹۷۵، دویر و Tiegje سال ۱۹۸۶، صدای فش فش ۱۹۸۷].

این می تواند از نتایج مدارک فروان نتیجه شود که پلاستیک مبتنی بر ALKANE با وزن مولکولی بیش از ۴۰۰-۵۰۰ daltons (i.ev بیشتر از ۳۰ اتم کربن) باید به مولکول های کوچکتر تبدیل شود. LDPE با متوسط وزن مولکولی از A = 150000 شامل ۱۱۰۰۰ اتم کربن می باشد. کاهش مولکول از این اندازه به ابعاد بیولوژیکی قابل قبول نیاز به تخریب گسترده ای در ماتریس PE است. این تخریب می تواند تا حدودی در ترکیب PE و پلیمرهای طبیعی زیست تخریب پذیر توسط عمل موجودات زنده، مانند بندپایان، هزارپا، جیرجیرک، و حلزون انجام شود.

 نحوه تجزیه بیولوژیکی:

محیط زیست بیولوژیک ، یعنی محیط اطراف بیولوژیکی که در آن پلیمر در حال حاضر، شامل عوامل بیولوژیکی مسئول بدتر شدن مواد پلیمری هستند. عوامل بیولوژیکی مانند باکتری ها، قارچ ها و آنزیم های آنها یک ماده به عنوان منبع غذایی مصرف میکنند به طوری که شکل اصلی خود را از دست می دهند. تحت شرایط مناسب رطوبت، دما، و در دسترس بودن اکسیژن، تجزیه بیولوژیکی یک فرایند نسبتا سریع است.

 میکروارگانیسم ها

باکتری ها و قارچ: دو نوع میکروارگانیسم های مورد علاقه خاص در تجزیه بیولوژیکی از پلیمرهای طبیعی و مصنوعی هستند.

 قارچ

قارچ میکروارگانیسمی است که از اهمیت ویژه ای در ایجاد تخریب مواد دارد. قارچ هسته ، دارای ارگاننیسم اسپور شکل ، که از هر دو نظر جنسی و غیر جنسی تولید مثل می کنند. قارچها همه جا حضور دارند. اهمیت آنها را به عنوان عوامل بدتر شونده در نتیجه تولید آنزیم است که شکستن لایه های غیر زنده به منظور تامین مواد مغذی موجود در ترکیب پلیمری می باشد. شرایط محیطی خاص برای رشد مطلوب و فعالیت تخریب ضروری است. این خدمات عبارتند از دمای مطلوب محیط، حضور مواد مغذی، و رطوبت بالا.

. باکتری

باکتری ها نقش نامشخص در ارتباط با قارچ در وخامت پلیمر بازی کرده اند. باکتری ها می توان میله های تک سلولی، کوکسی، و یا spirilla باشند. سایرین رشته ای یا زنجیره ای مانند هستند. باکتری ها می توانند هم هوازی و یا غیر هوازی باشند. در مقابل، قارچ لزوما هوازی هستند. برخی از باکتری ها متحرک هستند. باکتری ها عمدتا nonchlorophyllous. عمل تخریب آنها نیز عمدتا یک نتیجه از تولید آنزیم و تجزیه حاصل از بستر غیر زنده برای به دست آوردن مواد مواد مغذی است.

bacteria

باکتری های موجود در خاک از عوامل مهم برای تخریب مواد هستند. به خصوص زندگی گیاهی سلولزی ، محصولات چوبی، و منسوجات را به تخریب سلولیتیک تحت تاثیر قرار می دهند.

 آنزیم

آنزیم در اصل کاتالیزور بیولوژیکی است ، با همان عمل به عنوان کاتالیزور شیمیایی شناخته میشود. با کاهش انرژی فعال سازی آنها می توانند به افزایش نرخ واکنش در یک محیط غیر مناسب  برای واکنش های شیمیایی عمل کنند ، به عنوان مثال القاء آب در pH برابر ۷ و ۳۰ درجه سانتی گراد. در حضور آنزیم ها، افزایش سرعت واکنش ۱۰۸-۱۰۲۰ برابر اغلب مشاهده می شود. اکثریت قریب به اتفاق آنزیم ها پروتئینهایی دارای یک زنجیره پلی پپتیدی با یک ساختار سه بعدی پیچیده هستند. فعالیت آنزیم تقریبا به شکل ساختاری مربوط می شود. ساختار سه بعدی از آنزیم با چین خوردگی و جیبها بر روی سطح با ساختار اولیه مشخصه (یعنی توالی اسید آمینه خاص) که به صورت یک سایت فعال است مناطق خاصی را ایجاد می کند . در سایت فعال تعامل بین آنزیم و substrate انجام می گیرد که منجر به یک واکنش شیمیایی می شود ، به یک محصول خاص را تولید می کند.

همه آنزیم ها به یک محیط خاص که در آن فعالیت و ساختار سه بعدی مطلوب برای یک هدف خاص هستند تنظیم می شوند. برای آنزیم انسانی یا آنزیم جدا شده از سلول های انسان، این محیط یک حلال آب در ۶-۸ pH است، یک قدرت یونی ۰٫۱۵ مولار و دمای ۳۵- ۴۰ درجه سانتی گراد است(به عنوان سرم فیزیولوژی نرمال ۰٫۹ درصد نمک طعام است). یک تغییر بسیار کوچک، یکی از این پارامترها ممکن است آنزیم کاملا غیر فعال رندر و گاهی حتی می تواند آن را به صورت برگشت ناپذیر از بین ببرد. دیگر حلال آب، به ویژه حلال های آلی، همچنین از بین برنده بسیاری از آنزیم ها هستند، اما از سوی دیگر، آنزیم هایی وجود دارد که در محیط های افراطی فعال هستند، به عنوان مثال آنهایی که در چشمه آب گرم و یا محیط های شور هستند. آنزیم های مختلف دارای اقدامات مختلف هستند، برخی از آنزیم تغییر بستر از طریق یک مکانیسم رادیکال های آزاد در حالی که مابقی آنها به دنبال مسیرهای جایگزین مواد شیمیایی هستند. نمونه های معمولی ،اکسیداسیون بیولوژیکی و هیدرولیز بیولوژیکی است.

نظر