Биоразложение

редактировать
Разложение живыми организмами Желтая слизистая плесень, растущая на контейнере с влажной бумагой

Биоразложение - это расщепление органического вещества микроорганизмами, такими как бактерии и грибы.

Содержание

  • 1 Механизмы
  • 2 Факторы, влияющие на скорость биоразложения
  • 3 Пластмассы
  • 4 Биоразлагаемые технологии
  • 5 Биоразложение и компостирование
  • 6 Экологические и социальные последствия
  • 7 Этимология термина «биоразлагаемый»
  • 8 См. Также
  • 9 Примечания
  • 10 Ссылки
    • 10.1 Стандарты ASTM International
  • 11 Внешние ссылки

Механизмы

Процесс биодеградации можно разделить на три стадии: биодестерирование, биофрагментация и ассимиляция. Биоразложение иногда называют разложением на уровне поверхности, которое изменяет механические, физические и химические свойства материала. Эта стадия происходит, когда материал подвергается воздействию абиотических факторов внешней среды и допускает дальнейшее разложение за счет ослабления структуры материала. Некоторые абиотические факторы, влияющие на эти начальные изменения, - это сжатие (механическое), свет, температура и химические вещества в окружающей среде. Хотя биоразрушение обычно происходит на первой стадии биоразложения, в некоторых случаях оно может происходить параллельно с биофрагментацией. Хьюк, однако, определил биоразрушение как нежелательное воздействие живых организмов на материалы человека, включая такие вещи, как разрушение каменных фасадов зданий, коррозия металлов микроорганизмами или просто эстетические изменения, вызванные ростом живых организмов в искусственных сооружениях..

Биофрагментация полимера - это литический процесс, в котором связи внутри полимера расщепляются с образованием олигомеров и мономеров на своем месте. Шаги, предпринятые для фрагментации этих материалов, также различаются в зависимости от наличия кислорода в системе. Разложение материалов микроорганизмами в присутствии кислорода - это аэробное пищеварение. А разложение материалов в отсутствие кислорода - это анаэробное сбраживание. Основное различие между этими процессами состоит в том, что в анаэробных реакциях образуется метан, а в аэробных реакциях - нет (однако обе реакции производят диоксид углерода, воду, некоторые типы остаток и новую биомассу ). Кроме того, аэробное сбраживание обычно происходит быстрее, чем анаэробное сбраживание, тогда как анаэробное сбраживание лучше снижает объем и массу материала. Благодаря способности анаэробного сбраживания уменьшать объем и массу отходов и производить природный газ, технология анаэробного сбраживания широко используется в системах управления отходами и в качестве источника местных возобновляемых источников энергии. энергия.

Полученные продукты биофрагментации затем интегрируются, это стадия ассимиляции. Некоторые продукты фрагментации легко переносятся внутри клетки с помощью мембранных переносчиков. Однако другим все же приходится подвергаться реакциям биотрансформации, чтобы получить продукты, которые затем могут транспортироваться внутри клетки. Попадая внутрь клетки, продукты попадают в катаболические пути, которые приводят либо к выработке аденозинтрифосфата (АТФ), либо к элементам структуры клетки.

Формула аэробного биоразложения Формула анаэробного разложения

Факторы, влияющие на скорость биоразложения

Среднее расчетное время разложения типичных объектов морского мусора. Пластиковые предметы показаны синим цветом.

На практике почти все химические соединения и материалы подвергаются процессам биоразложения. Однако значение имеет относительная скорость таких процессов, например, дни, недели, годы или столетия. Ряд факторов определяют скорость, с которой происходит разложение органических соединений. Факторы включают свет, воду, кислород и температуру. Скорость разложения многих органических соединений ограничена их биодоступностью, то есть скоростью, с которой вещество всасывается в систему или становится доступным в месте физиологической активности, поскольку соединения должны быть высвобождены в раствор, прежде чем организмы смогут их разложить. Скорость биоразложения можно измерить несколькими способами. Респирометрия тесты могут использоваться для аэробных микробов. Сначала помещают образец твердых отходов в емкость с микроорганизмами и почвой, а затем смесь аэрируют. В течение нескольких дней микроорганизмы постепенно переваривают образец и выделяют углекислый газ - полученное количество CO 2 служит индикатором разложения. Биоразлагаемость также можно измерить с помощью анаэробных микробов и количества метана или сплава, которое они способны производить.

Важно отметить факторы, которые влияют на скорость биоразложения во время тестирования продукта, чтобы гарантировать точность и надежность полученных результатов.. Некоторые материалы будут проверены как биоразлагаемые в оптимальных условиях в лаборатории для утверждения, но эти результаты могут не отражать реальные результаты, в которых факторы более изменчивы. Например, материал, который может быть протестирован на биоразложение с высокой скоростью в лаборатории, может не разлагаться с высокой скоростью на свалке, потому что на свалках часто не хватает света, воды и микробной активности, которые необходимы для разложения. Таким образом, очень важно наличие стандартов для пластиковых биоразлагаемых продуктов, которые оказывают большое влияние на окружающую среду. Разработка и использование точных стандартных методов испытаний может помочь гарантировать, что все пластмассы, которые производятся и продаются на рынке, действительно будут биоразлагаться в естественной среде. Для этой цели был разработан один тест - DINV 54900.

Приблизительное время биоразложения соединений в морской среде
ПродуктВремя биоразложения
Бумажное полотенце 2–4 недель
Газета 6 недель
Яблочная сердцевина 2 месяца
Картон коробка2 месяца
Восковое покрытие картонное молоко 3 месяцев
Хлопок перчатки1–5 месяцев
Шерсть перчатки1 год
Фанера 1–3 года
Окрашенные13 лет
Пластиковые пакеты 10–20 лет
Жестяные банки 50 лет
Одноразовые подгузники 50–100 лет
Пластиковая бутылка 100 лет
Алюминиевые банки 200 лет
Стеклянные бутылки Не определено
Временные рамки, в течение которых обычные предметы не могут выйти из строя в земных условиях
Овощи5 дней - 1 месяц
Бумага2–5 месяцев
Хлопковая футболка6 месяцев
Апельсиновая корка6 месяцев
Листья деревьев1 год
Носки шерстяные1–5 лет
Plas мелованная бумага коробки для молока5 лет
25–40 лет
нейлон ткань30–40 лет
жестяные банки50–100 лет
Алюминиевые банки80–100 лет
Стеклянные бутылки1 миллион лет
Стакан из пенополистирола 500 лет навсегда
Пластиковые пакеты500 лет на веки вечные

Пластмассы

Термин «биоразлагаемые пластмассы» относится к материалам, которые сохраняют свою механическую прочность во время практического использования, но распадаются на легкие и нетоксичные соединения. побочные продукты после их использования. Это разрушение становится возможным из-за нападения микроорганизмов на материал, который обычно представляет собой нерастворимый в воде полимер. Такие материалы могут быть получены путем химического синтеза, ферментации с помощью микроорганизмов и из химически модифицированных природных продуктов.

Пластмассы биоразлагаются с очень разной скоростью. Сантехника на основе ПВХ выбрана для работы со сточными водами , потому что ПВХ сопротивляется биоразложению. С другой стороны, разрабатываются некоторые упаковочные материалы, которые легко разрушаются при воздействии окружающей среды. Примеры синтетических полимеров, которые быстро разлагаются, включают поликапролактон, другие сложные полиэфиры и ароматико-алифатические сложные эфиры, поскольку их сложноэфирные связи подвержены воздействию воды. Ярким примером является поли-3-гидроксибутират, возобновляемая полимолочная кислота. Другие - это ацетат целлюлозы на основе целлюлозы и целлулоид (нитрат целлюлозы).

Полимолочная кислота является примером пластика, который быстро разлагается.

В условиях с низким содержанием кислорода пластик разрушается медленнее. Процесс разложения можно ускорить в специально разработанной компостной куче. Пластмассы на основе крахмала разлагаются в течение двух-четырех месяцев в домашнем компостном баке, в то время как полимолочная кислота в значительной степени не разлагается, что требует более высоких температур. Композиты поликапролактон и поликапролактон-крахмал разлагаются медленнее, но содержание крахмала ускоряет разложение, оставляя после себя пористый поликапролактон с большой площадью поверхности. Тем не менее на это уходит много месяцев. В 2016 году было обнаружено, что бактерия под названием Ideonella sakaiensis разлагает ПЭТ.

Многие производители пластика зашли так далеко, что даже заявили, что их пластик компостируем, обычно перечисляя кукурузный крахмал в качестве ингредиента. Однако эти утверждения сомнительны, поскольку пластмассовая промышленность работает в соответствии со своим собственным определением компостируемого:

«то, что способно подвергаться биологическому разложению на участке компоста, так что материал визуально не различим и разрушается. до двуокиси углерода, воды, неорганических соединений и биомассы со скоростью, соответствующей известным компостируемым материалам ». (Ссылка: ASTM D 6002)

Термин «компостирование» часто неформально используется для описания биоразложения упаковочных материалов. Существуют юридические определения компостируемости, процесса, который приводит к компосту. Европейский Союз предлагает четыре критерия:

  1. Химический состав : летучие вещества и тяжелые металлы, а также фтор должны быть ограничены.
  2. Биоразлагаемость : преобразование>90% исходного материала в CO2, вода и минералы с помощью биологических процессов в течение 6 месяцев.
  3. Распадаемость : не менее 90% исходной массы должно быть разложено на частицы, которые могут пройти через сито 2x2 мм.
  4. Качество : отсутствие токсичных веществ и других веществ, препятствующих компостированию.

Биоразлагаемая технология

Теперь биоразлагаемые технологии стали высокоразвитым рынком с приложениями в продуктах упаковке, производстве и медицине. Биоразложение биомассы предлагает некоторые рекомендации. Известно, что полиэфиры подвержены биоразложению.

Оксобиоразложение определяется CEN (Европейская организация по стандартизации) как «разложение в результате окислительных и клеточно-опосредованных явлений, либо одновременно или последовательно ". Хотя иногда их называют «оксо-фрагментируемый» и «оксо-разлагаемый», эти термины описывают только первую или окислительную фазу и не должны использоваться для материала, который разлагается в процессе оксо-биодеградации, определенного CEN: правильное описание: « оксо-биоразлагаемый ".

Комбинируя пластмассовые изделия с очень большими молекулами полимера, содержащими только углерод и водород, с кислородом в воздухе, продукт становится сделана способной к разложению за время от недели до одного-двух лет. Эта реакция происходит даже без добавок, способствующих разложению, но с очень медленной скоростью. Вот почему обычные пластмассы, будучи выброшенными, долго сохраняются в окружающей среде. Оксобиоразлагаемые составы катализируют и ускоряют процесс биоразложения, но требуются значительные навыки и опыт, чтобы сбалансировать ингредиенты в составах, чтобы обеспечить продукту полезный срок службы в течение установленного периода, за которым следует разложение и биоразложение.

Биоразлагаемые технологии особенно используются сообществом биомедицины. Биоразлагаемые полимеры делятся на три группы: медицинские, экологические и двойного назначения, а по происхождению они делятся на две группы: природные и синтетические. Группа чистых технологий использует использование сверхкритического диоксида углерода, который под высоким давлением при комнатной температуре является растворителем, который может использовать биоразлагаемые пластмассы для изготовления полимерных покрытий для лекарственных препаратов. Полимер (что означает материал, состоящий из молекул с повторяющимися структурными единицами, которые образуют длинную цепь) используется для инкапсуляции лекарства перед инъекцией в организм и основан на молочной кислоте, соединении, обычно производимом в тела и, таким образом, может выводиться естественным путем. Покрытие разработано для контролируемого высвобождения в течение определенного периода времени, что снижает количество необходимых инъекций и максимизирует терапевтический эффект. Профессор Стив Хоудл заявляет, что биоразлагаемые полимеры особенно привлекательны для использования в доставке лекарств, так как после попадания в организм они не требуют извлечения или дальнейших манипуляций и разлагаются на растворимые нетоксичные побочные продукты. Различные полимеры разлагаются в организме с разной скоростью, и поэтому выбор полимеров может быть адаптирован для достижения желаемых скоростей высвобождения.

Другие биомедицинские применения включают использование биоразлагаемых эластичных полимеров с памятью формы. Биоразлагаемые материалы для имплантатов теперь можно использовать для малоинвазивных хирургических процедур с помощью разлагаемых термопластичных полимеров. Эти полимеры теперь могут изменять свою форму при повышении температуры, вызывая способность к памяти формы, а также легко разрушаемые швы. В результате имплантаты теперь могут проходить через небольшие разрезы, врачи могут легко выполнять сложные деформации, а швы и другие вспомогательные материалы могут естественным образом разлагаться после завершенной операции.

Биоразложение или компостирование

Там не существует универсального определения биоразложения, и существуют различные определения компостирования, что привело к большой путанице между терминами. Их часто объединяют в одну кучу; однако они не имеют того же значения. Биоразложение - это естественное разложение материалов микроорганизмами, такими как бактерии и грибы, или другой биологической активностью. Компостирование - это управляемый человеком процесс, в котором биоразложение происходит при определенных обстоятельствах. Преобладающее различие между ними состоит в том, что один процесс является естественным, а другой - управляемым человеком.

Биоразлагаемый материал способен разлагаться без источника кислорода (анаэробно) на углекислый газ, воду и биомассу, но сроки не очень конкретно определены. Точно так же компостируемый материал распадается на двуокись углерода, воду и биомассу; однако компостируемый материал также распадается на неорганические соединения. Процесс компостирования определяется более конкретно, поскольку он контролируется людьми. По сути, компостирование - это ускоренный процесс биоразложения благодаря оптимизированным условиям. Кроме того, конечный продукт компостирования не только возвращается в свое прежнее состояние, но также генерирует и добавляет в почву полезные микроорганизмы, называемые гумусом. Это органическое вещество можно использовать в садах и на фермах, чтобы в будущем вырастить более здоровые растения. Компостирование происходит более последовательно в более короткие сроки, поскольку это более определенный процесс, который ускоряется вмешательством человека. Биоразложение может происходить в разные периоды времени при разных обстоятельствах, но оно должно происходить естественным путем без вмешательства человека.

На этом рисунке представлены различные способы утилизации органических отходов.

Даже при компостировании это может происходить в различных обстоятельствах. Есть два основных типа компостирования: дома и в коммерческих целях. Оба производят здоровую почву для повторного использования - основное различие заключается в том, какие материалы могут использоваться в процессе. Компостирование дома в основном используется для удаления остатков пищи и излишков садового материала, например, сорняков. Коммерческое компостирование способно разрушать более сложные продукты растительного происхождения, такие как пластмассы на основе кукурузы и более крупные куски материала, такие как ветки деревьев. Коммерческое компостирование начинается с ручного измельчения материалов с помощью измельчителя или другого оборудования для запуска процесса. Поскольку домашнее компостирование обычно происходит в меньшем масштабе и не требует использования большого оборудования, эти материалы не будут полностью разлагаться при домашнем компостировании. Кроме того, в одном исследовании сравнивалось и противопоставлялось домашнее и промышленное компостирование, и был сделан вывод о том, что у обоих есть преимущества и недостатки.

Следующие исследования предоставляют примеры, в которых компостирование было определено как подмножество биоразложения в научном контексте. Первое исследование «Оценка способности пластика к биоразложению в условиях моделирования компостирования в лабораторных условиях» четко рассматривает компостирование как набор обстоятельств, подпадающих под категорию разложения. Кроме того, в следующем исследовании изучались эффекты биоразложения и компостирования химически и физически сшитой полимолочной кислоты. В частности, обсуждение компостирования и биодеградации как двух разных терминов. В третьем и последнем исследовании рассматривается европейская стандартизация биоразлагаемых и компостируемых материалов в упаковочной промышленности, опять же с использованием этих терминов по отдельности.

Различие между этими терминами имеет решающее значение, поскольку управление отходами путаница приводит к неправильным утилизация материалов людьми на ежедневной основе. Технология биоразложения привела к значительным улучшениям в том, как мы избавляемся от отходов; теперь существуют урны для мусора, вторичной переработки и компоста, чтобы оптимизировать процесс утилизации. Однако, если эти потоки отходов обычно и часто путают, то процесс утилизации совсем не оптимизирован. Биоразлагаемые и компостируемые материалы были разработаны для того, чтобы большее количество человеческих отходов могло распадаться и возвращаться в свое прежнее состояние, а в случае компостирования - даже добавлять питательные вещества в землю. Когда компостируемый продукт выбрасывают, а не компостируют и отправляют на свалку, эти изобретения и усилия тратятся зря. Поэтому гражданам важно понимать разницу между этими терминами, чтобы материалы можно было утилизировать должным образом и эффективно.

Экологические и социальные последствия

Пластиковое загрязнение в результате незаконных свалок представляет опасность для здоровья диких животных. Животные часто принимают пластик за пищу, что приводит к кишечному запутыванию. Медленно разлагающиеся химические вещества, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ), нонилфенол (NP) и пестициды, также содержащиеся в пластмассах, могут выделяться в окружающую среду и впоследствии попадать в организм дикой природы.

Рэйчел Карсон, известный эколог в области 1960-е годы явились одним из первых ключевых исследований последствий употребления химических веществ в организме диких животных, в частности птиц. В своей работе «Тихая весна» она писала о ДДТ, пестициде, широко используемом в сельскохозяйственной деятельности человека. Карсон обнаружил, что птицы, которые съели зараженных насекомых, с большей вероятностью производили яйца с тонкой и слабой скорлупой.

Эти химические вещества также играют роль в здоровье человека, так как потребление испорченной пищи (в процессах, называемых биомагнификацией и биоаккумуляцией).) был связан с такими проблемами, как рак, неврологическая дисфункция и гормональные изменения. Хорошо известным примером воздействия биомагнификации на здоровье в последнее время является повышенное воздействие опасно высоких уровней ртути в рыбе, которая может повлиять на половые гормоны у людей.

В попытках исправить ущерб, нанесенный медленным разложением. пластмассы, моющие средства, металлы и другие загрязняющие вещества, создаваемые людьми, экономические затраты стали проблемой. Особенно трудно количественно оценить и проанализировать морской мусор. По оценкам исследователей из Института мировой торговли, затраты на инициативы по очистке (особенно в океанских экосистемах) достигли почти тринадцати миллиардов долларов в год. Основная проблема связана с морской средой, при этом наибольшие усилия по очистке сосредоточены вокруг мусорных пятен в океане. В 2017 году в Тихом океане обнаружили мусорное пятно размером с Мексику. По оценкам, его размер превышает миллион квадратных миль. В то время как пластырь содержит более очевидные примеры мусора (пластиковые бутылки, банки и пакеты), крошечные микропластики практически невозможно очистить. National Geographic сообщает, что в уязвимые среды попадает еще больше не поддающихся биологическому разложению материалов - почти тридцать восемь миллионов штук в год.

Материалы, которые не разложились, также могут служить убежищем для инвазивных видов, таких как трубки черви и ракушки. Когда экосистема изменяется в ответ на инвазивные виды, обитающие виды и естественный баланс ресурсов, генетическое разнообразие и богатство видов изменяются. Эти факторы могут поддержать местную экономику в области охоты и аквакультуры, которая пострадает в результате изменений. Точно так же прибрежные сообщества, которые в значительной степени полагаются на экотуризм, теряют доход из-за накопления загрязнения, поскольку их пляжи или берега больше не желательны для путешественников. Институт мировой торговли также отмечает, что сообщества, которые часто ощущают большую часть последствий плохого биоразложения, являются более бедными странами, не имеющими средств для оплаты своей уборки. В случае эффекта петли положительной обратной связи они, в свою очередь, не могут контролировать свои собственные источники загрязнения.

Этимология слова «биоразлагаемый»

Первое известное использование биоразлагаемого вещества в биологическом контексте было в 1959 году, когда оно был использован для описания разложения материала на безвредные компоненты микроорганизмами. В настоящее время биоразлагаемые продукты обычно ассоциируются с экологически чистыми продуктами, которые являются частью природных циклов Земли, таких как углеродный цикл, и способны разлагаться обратно на природные элементы.

См. Также

  • значок Экологический портал
  • значок Экологический портал

Примечания

Ссылки

Стандарты ASTM International

  • D5210- Стандарт Метод испытаний для определения анаэробного биоразложения пластмассовых материалов в присутствии осадка городских сточных вод
  • D5526 - Стандартный метод испытаний для определения анаэробного биоразложения пластмассовых материалов в условиях ускоренных свалок
  • D5338 - Стандартный метод испытаний для определения аэробного биоразложения пластикового мата erials в контролируемых условиях компостирования, включая термофильные температуры
  • D5511- Стандартный метод испытаний для определения анаэробного биоразложения пластиковых материалов в условиях анаэробного разложения с высоким содержанием твердых веществ
  • D5864- Стандартный метод испытаний для определения аэробных водных организмов Биоразложение смазочных материалов или их компонентов
  • D5988 - Стандартный метод испытаний для определения аэробного биоразложения пластических материалов в почве
  • D6139 - Стандартный метод испытаний для определения аэробного биоразложения смазочных материалов или их компонентов в водной среде с использованием Gledhill Shake Flask
  • D6006 - Стандартное руководство по оценке способности гидравлических жидкостей к биологическому разложению
  • D6340 - Стандартные методы испытаний для определения аэробного биоразложения радиоактивно меченных пластиковых материалов в водной среде или среде компоста
  • D6691-Стандартный метод испытаний для определения аэробного биоразложения пластиковых материалов в морской среде определенным микробным консорциумом или Natura l Инокулят морской воды
  • D6731-Стандартный метод испытаний для определения аэробной, водной биоразлагаемости смазочных материалов или компонентов смазочных материалов в закрытом респирометре
  • D6954- Стандартное руководство по обнаружению и испытанию пластмасс, разлагающихся в Окружающая среда путем сочетания окисления и биоразложения
  • D7044 - Стандартные спецификации для биоразлагаемых огнестойких гидравлических жидкостей
  • D7373 - Стандартный метод испытаний для прогнозирования биоразлагаемости смазочных материалов с использованием биокинетической модели
  • D7475 - Стандартный метод испытаний для определения аэробного разложения и анаэробного биоразложения пластмассовых материалов в условиях ускоренного биореактора на свалке
  • D7665 - Стандартное руководство по оценке биоразлагаемых теплоносителей

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-12 06:43:24
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте