biotechnologia


 
 

Biodegradacja

Biodegradacja (gr. bios - życie, łac. degradatio - obniżenie) to biochemiczny rozkład związków organicznych na związki proste, dokonywany za pośrednictwem organizmów żywych, m.in. bakterii, pierwotniaków, promieniowców, grzybów i glonów. Mechanizm tego procesu jest bardzo złożony i obejmuje wiele reakcji o charakterze chemiczno-biologicznym.


Warunki biodegradacji


Zdolność do ulegania procesom biodegradacji nazywana jest biodegradowalnością. Jest ona pożądaną cechą, dzięki której odpady nie muszą być składowane przez wiele lat i jako śmieci zanieczyszczać środowiska naturalnego. Żaden produkt, nawet naturalny, nie może jednak ulec biodegradacji, jeżeli znajduje się w miejscu niedostępnych dla czynnych mikroorganizmów, których uaktywnienie następuje wyłącznie w sprzyjających warunkach środowiskowych.

Wszystkie drobnoustroje wymagają obecności wody. Umożliwia ona ich migrację, zachowanie odpowiedniego ciśnienia osmotycznego i odczynu, a także dyfuzję związków odżywczych do wnętrza komórki oraz usuwanie gromadzących się w niej produktów metabolizmu. Gdy ciśnienie na zewnątrz komórki jest wyższe niż w jej wnętrzu, zakłócony zostaje proces wchłaniania wody niezbędnej do wzrostu drobnoustrojów. Mikroorganizmy wymagają także obecności składników pokarmowych. Są one również wrażliwe na działanie związków toksycznych, których obecność opóźnia lub całkowicie hamuje procesy mikrobiologiczne w glebie. Nie bez znaczenia pozostaje skład chemiczny i odczyn podłoża, umożliwiający aktywność enzymów, procesy transportu oraz rozpuszczalność i przyswajalność składników pokarmowych. Wiele gatunków bakterii może rozwijać się w zakresie pH od 4 do 9. Grzyby preferują natomiast kwaśny odczyn środowiska (pH 4-6). Organizmy glebowe różnią się od siebie termotolerancją oraz zapotrzebowaniem na tlen. Procesy biodegradacyjne mogą zatem zachodzić zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych.

W celu przyspieszenia rozkładu można aplikować do gleby odpowiednie szczepy mikroorganizmów. Duży wpływ na szybkość biodegradacji mają również właściwości rozkładanego materiału: struktura jego powierzchni, grubość i kształt, obecność wiązań sieciujących, masa cząsteczkowa, długość łańcuchów, hydrofobowość, hydrofilowość, krystaliczność itp. Procesy biodegradacji można w znacznym stopniu przyspieszyć poprzez zwiększenie przyswajalności niepożądanych substancji. Przykładowo, bardziej podatne na biodegradację są polimery zawierające w łańcuchu głównym grupy wrażliwe na hydrolityczny atak mikroorganizmów, tj. grupy estrowe, karboksylowe, hydroksylowe, eterowe.



Rys.1 Czynniki wpływające na szybkość biodegradacji

Biodegradowalne tworzywa sztuczne


Przez wiele lat głównym celem produkcji tworzyw sztucznych lub inaczej polimerów syntetycznych było otrzymywanie trwałych związków, odznaczających się dobrymi własnościami użytkowymi oraz niewrażliwością na warunki środowiska. Ze względu na zwiększającą się liczbę zalegających odpadów zaczęto jednak dążyć do dominacji polimerów biodegradowalnych.

Rozwój produkcji materiałów i opakowań biodegradowalnych jest ściśle związany z wprowadzanymi w wielu państwach regulacjami prawnymi, odnoszącymi się do gospodarki odpadami. W krajach Unii Europejskiej obowiązuje Dyrektywa 94/62/EEC, dotycząca wszelkich opakowań oraz odpadów opakowaniowych i uwzględniająca wymagania ekologiczne oraz potrzeby wymiany handlowej między krajami Wspólnoty. Zharmonizowano z nią, wydaną w 2000 r. normę EN 13432, wprowadzającą kryteria oceny opakowań biodegradowalnych oraz procedury dotyczące przydatności do kompostowania i obróbki beztlenowej. Zgodnie z jej założeniami opakowania poddawane są kontroli składu chemicznego, badaniom biodegradowalności, zdolności do rozpadu w czasie obróbki biologicznej, jakości uzyskanego kompostu. Dodatkowo przeprowadza się również testy ekotoksyczności, polegające na stwierdzeniu braku negatywnego oddziaływania kompostu na proces wzrostu roślin. W przypadku, gdy opakowanie składa się z kilku elementów, każdy z nich podlega odrębnej ocenie. Wyjątkiem są części, które dają się łatwo oddzielać podczas segregacji przed kompostowaniem i są przeznaczone do innych form utylizacji.

W niektórych państwach obowiązują wewnętrzne systemy certyfikacji, ustanowione jeszcze przed normą EN 13432. Przykładowo w Niemczech przydatność wyrobów do kompostowania określa norma DIN 54900. Jednostką wydającą odpowiednie certyfikaty jest DIN CERTCO, a opakowania, które uzyskały certyfikat, są oznaczone specjalnym symbolem i podlegają zbiórce razem z bioodpadami. Analogicznie w Belgii, stosuje się znak „OK Compost”. W USA certyfikacja przeprowadzana jest zgodnie z normą ASTM D6400.

Zastosowanie polimerów biodegradowalnych dotyczy głównie masowej produkcji opakowań, toreb na odpady, elementów wyposażenia wnętrz, butelek, folii ogrodniczych, naczyń i innych produktów jednorazowego użytku. Weszły one także do powszechnego użytku w medycynie i inżynierii tkankowej, gdzie tworzy się z nich np. bioresorbowalne nici chirurgiczne, implanty, nośniki leków, opatrunki, odzież dla personelu medycznego, kompresy, pieluchy, chusteczki higieniczne, waciki kosmetyczne i inne.


Biodegradacja polimerów syntetycznych


Biodegradacja tworzyw sztucznych przebiega dwustopniowo i jest zapoczątkowana rozdrobnieniem polimeru poprzez rozerwaniem budujących go łańcuchów. Prowadzi to do zmniejszenia liczby rozgałęzień i masy cząsteczkowej związku, który dzięki temu staje się lepiej dostępny dla mikroorganizmów przeprowadzających właściwy proces biodegradacji. Gdy pierwszy etap przebiega z udziałem reakcji utlenienia mówimy o polimerach oksy-biodegradowalnych. Materiały ulegające hydrolizie określa się mianem hydro-biodegradowalnych.

Końcowymi produktami rozkładu tworzywa polimerowego są materia organiczna lub inaczej biomasa, woda oraz gazy (dwutlenek węgla w warunkach tlenowych oraz metan w warunkach beztlenowych).



Rys.2 Kluczowe etapy procesu biodegradacji polimerów syntetycznych

Oksy-biodegradacja


Jest to najpowszechniej stosowana technologia, polegająca na dodawaniu do produktów odpowiednich katalizatorów - prodegradantów. Uzyskiwane w ten sposób materiały degradują zarówno w otwartym, jak i zamkniętym środowisku i nie wymagają obecności wody. Są przy tym bezpieczne w bezpośrednim kontakcie z żywnością i nietoksyczne dla gleby, gdyż uwalniany z nich węgiel staje się pożywieniem dla rosnących roślin. Czas ich rozkładu może być regulowany przez producenta i dzięki temu dostosowywany do wymagań użytkownika. Tworzywa oksybiodegradujące mogą być również produkowane z odzyskanego surowca.

Hydro- biodegradacja


Są to materiały bazujące na naturalnych polimerach, takich jak skrobia pochodząca z produktów rolniczych, głównie z kukurydzy. Do ich produkcji mogą być wykorzystywane również uprawy genetycznie zmodyfikowanych roślin. Do zainicjowania procesów rozkładu tworzywa te wymagają obecności wody oraz biologicznie aktywnego środowiska. Podczas ich biodegradacji może wytwarzać się metan.


Tab.1 Podstawowe polimery ulegające biodegradacji


Bioremediacja


Procesy biodegradacyjne znalazły zastosowanie również w bioremediacji, czyli przy oczyszczaniu gleby z produktów ropopochodnych, uwalnianych podczas procesów wydobywczych, przeróbki lub też w przypadku równego rodzaju awarii. Niektóre z występujących w ropie węglowodorów aromatycznych, takich jak benzen, toluen, ksylen i fenol, wykazują działanie toksyczne i kancerogenne. Wpływają one niekorzystnie także na produkcję roślinną oraz na jakość wód powierzchniowych i gruntowych.

Prawidłowy przebieg procesu biodegradacji może prowadzić do prawie 100% redukcji zanieczyszczeń w ciągu zaledwie kilku tygodni, jednak jej efektywność zależy od tempa rozkładu dokonywanego przez mikroorganizmy glebowe. Maleje ono m.in. wraz z głębokością gruntu oraz spadkiem liczby odpowiednich drobnoustrojów. Większość metod bioremediacyjnych polega na intensyfikacji naturalnego procesu za pomocą doboru zespołu mikroorganizmów, wyspecjalizowanych w rozkładzie węglowodorów naftowych, czyli tzw. biopreparatów, które w postaci inokulum wprowadza się do skażonej gleby. Innym sposobem jest zwiększanie dostępności węglowodorów naftowych, uzyskiwane dzięki dodatkowemu zastosowaniu biologicznych lub syntetycznych środków powierzchniowo czynnych (SPC). Obniżają one napięcie powierzchniowe i interfazowe cieczy, a także emulgują substancje liofilowe zwiększając rym samym powierzchnię ich wymiany i rozpuszczalności.
Wyróżnić można trzy podstawowe typy bioremediacji gleb:

bioremediację naturalną lub inaczej naturalną atenuację - polegającą na regularnym monitoringu stężenia zanieczyszczeń usuwanych przez rodzime mikroorganizmy;
biostymulację - najpowszechniej stosowaną metodę, bazującą na stymulowaniu wzrostu i aktywności naturalnie występujących populacji drobnoustrojów poprzez dostarczenie im niezbędnych składników pokarmowych i/ lub tlenu;
bioaugmentację - czyli wprowadzenie do środowiska odpowiednich gatunków drobnoustrojów, również mikroorganizmów genetycznie zmodyfikowanych (GMM).

Bioremediację gruntów można przeprowadzać sposobem in situ, czyli w miejscu występowania skażenia (uprawa gleby, biowentylacja, bioekstrakcja) lub ex situ, tzn. po umieszczeniu zanieczyszczonej gleby w specjalnie przygotowanym do tego celu miejscu (uprawa gleby, kompostowanie, biostosy i bioreaktory).

W procesach tych korzysta się głównie z bakterii tlenowych (Pseudomonas, Acinetobacter, Arthrobacter, Corynebacterium, Mycobacterium, Geobacillus), które charakteryzują się szybkim wzrostem, wysoką liczebnością oraz zdolnością do degradacji różnorodnych zanieczyszczeń. Wykorzystują one węglowodory naftowe jako źródło węgla i energii niezbędnych do prawidłowego wzrostu i rozmnażania. Grzyby mają ograniczone zastosowanie w bioremediacji.


Metody pomiaru biodegradacji

Stopień podatności na biodegradację tworzyw handlowych można poddawać analizom. Badane próbki umieszcza się w określonych podłożach stałych i zaszczepia czystymi szczepami lub mieszanymi populacjami mikroorganizmów pochodzących z różnych kolekcji lub izolowanych, np. z wysypiska śmieci. Niekiedy materiał poddaje się dodatkowo procesowi starzenia.

Pomiaru biodegradacji prowadzonej w warunkach tlenowych można dokonać za pomocą testów respirometrycznych, polegających na oznaczaniu ciągłej ilości wydzielanego CO2. Badaną próbkę wraz z mikroorganizmami i glebą umieszcza się w odpowiednim kontenerze, a następnie całość poddaje się napowietrzaniu. Trawiąc materiał drobnoustroje produkują CO2, którego ostateczna ilość służy jako wskaźnik poziomu rozkładu.

Biodegradację można również mierzyć w przypadku mikroorganizmów beztlenowych posługując się analogicznie ilością wyprodukowanego przez nie metanu.



Rys.3 Model systemu używanego do testów respirometrycznych

Autor: Anna Kurcek


Literatura:
1. Beraldo de Morais E., Tauk-Tornisielo S. M., 2009. Biodegradation of oil refinery residues using mixed-culture of microorganisms isolated from a landfarming. Brazilian Archives of Biology and Technology, 52/6.
2. Malinowski R., 2008. Polimery bodegradowalne. Teka Kom. Bud. Ekspl. Masz. Elektrotech. Bud. – OL PAN, 103–106.
3. Nowak J., 2008. Bioremediacja gleb z ropy i jej produktów. Biotechnologia 1/ 80: 97-108.
4. Kołwzan B., Adamiak W., Grabas K., Pawełczyk A., 2005. Podstawy mikrobiologii w ochronie środowiska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej.
5. Miksch K., Płonka L., Biotechnologia w Inżynierii Środowiska. Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Katedra Biotechnologii Środowiskowej.
6. Dobużek S., Pająk J., Nowak B. 2011. Biodegradacja tworzyw sztucznych. Uniwersytet Śląski, Katedra Biochemii. www.invertebrata.yoyo.pl.
7. Gierucki Ł., 2008. Opakowania foliowe - czy na pewno koniec? D2W - ekologiczne opakowania przyszłości. www.lumex.pl.
8. 2003. Materiały opakowaniowe nowej generacji przydatne do kompostowania. tworzywa.com.pl.


Komentarze

Widok Uszereguj
Biodegradowalny a oksybiodegradowalne
by reader
on 22-01-2013

Celem i jednych i drugich zapewne jest rozkład polimerów. Sęk w tym, że te pierwsze muszą trafić do kompostowni, inaczej będą zalegać jak zwykłe produkty plastikowe. Dlatego też w krajach takich jak Polska świetnie sprawdzają się produkty oksybiodegradowalne - które w naturalnych warunkach samoistnie się rozłożą i nie wymaga się do ich produkcji wdrażania nowych maszyn. Koszt nieznacznie wzrasta, a taka przykładowa jednorazówka po rozkładzie nie skazi przyrody/


Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

218 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 

Facebook

Gadżety

Sklep e-biotechnologia.pl
Tematyczne kubki, koszulki, bluzy etc.


Zapraszamy do sklepu

Na skróty

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Narodowe Centrum Nauki Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Ośrodek Przetwarzania Informacji PAP - Nauka w Polsce Forum Akademickie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej Wirtualna Biblioteka Nauki Scopus NCBI PubMed Nature Science Cell

 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u