"ქიმიის უწყებანი" ტომი:4, ნომერი:2, 37-40 გვ.

პოლიმერები და ეკოლოგიური პრობლემები. III ნაწილი: პოლიმერების ბიოტური დეგრადაცია (ბიოდეგრადაცია)

ნოდარ დუმბაძე

საქართველოს აგრარული უნივერსიტეტი

რეზიუმე: ნაშრომის მიზანია, ეკოლოგიურ ჭრილში განიხილოს პოლიმერები, რომლებიც სადღეისოდ წარმოადგენენ ერთ-ერთ ყველაზე გამოყენებად და გავრცელებულ მასალას თანამედროვე ყოფაცხოვრებაში. აქ წარმოდგენილია ნაშრომის მესამე ნაწილი, რომელშიც მოცემულია ინფორმაცია სხვადასხვა სამეცნიერო ჯგუფების მიერ ჩატარებული კვლევების შესახებ, რომელიც ეხებოდა პოლიმერების ბიოტური დეგრადაციის პროცესების შესწავლას სხვადასხვა პოლიმერების შემთხვევაში.

საკვანძო სიტყვები: პოლიმერები, გარემოს ქიმიური დაბინძურება, პოლიმერების ბიოდეგრადაცია

 

 

პოლიმერების ბიოტური დეგრადაცია (ბიოდეგრადაცია)

 

პოლიმერების ბიოტურ დეგრადაციას წინ უძღვიან აბიოტური დეგრადაციისას მიმდინარე პროცესები, რომლებსაც მასალის მექანიკური თვისებების გაუარესებამდე და სტრუქტურულ ცვლილებებამდე მივყავართ. ეს პროცესები ზრდიან მიკრობული კოლონიზაციისათვის ხელმისაწვდომ ზედაპირის ფართობს. პოლიმერული მასალების მოლეკულების ზომები და მათი არასაკმარისი ხსნადობა წყალში არ აძლევენ მიკროორგანიზმებს საშუალებას, რომ მოახდინონ მათი ტრანსპორტირება საკუთარ უჯრედებში, სადაც მიმდინარეობს ბიოქიმიური პროცესების უმრავლესობა. ბიოლოგიური პროცესები, რომლებიც მონაწილეობენ პოლიმერების დაშლაში, იწყება არაუჯრედული ფერმენტების სეკრეციით; ეს ფერმენტები საკმაოდ დიდნი არიან იმისათვის, რომ მოახერხონ ღრმად შეღწევა პოლიმერში, ამიტომ მოქმედებენ მათ ზედაპირზე, ახდენენ რა პოლიმერული ჯაჭვის დახლეჩას ჰიდროლიზური მექანიზმებით [1]. გარდა ამისა, ბიოლოგიური პროცესების გაძლიერებას იწვევს წინა ნაწილში ნახსენები ფუნქციური ჯგუფების გაჩენა პოლიმერულ ჯაჭვში. დროთა განმავლობაში აბიოტური და ბიოტური ფაქტორები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, რითიც ხელს უწყობენ დეგრადაციის პროცესს. ჯაჭვის გაწყვეტა ამცირებს პოლიმერის მოლეკულურ მასას, რაც, თავის მხრივ, უზრუნველყოფს დიდ ხელმისაწვდომობას ტენისა და ჟანგბადისათვის, რომლებიც ახდენენ შეკერვის რეაქციის ინიცირებას, რითიც „აიძულებენ“ პოლიმერის სტრუქტურას, რომ კიდევ უფრო „დასუსტდნენ“ და გახდნენ უფრო მეტად მიდრეკილნი მიკრობული აქტივობისადმი [2]. როდესაც პოლიმერის მოლეკულური მასა საკმარისად მცირეა ჯერ ოლიგომერების, ხოლო შემდეგ წყალში ხსნადი მონომერების წარმოქმნისათვის, შესაძლოა, რომ დაიწყოს მინერალიზაციის პროცესი. ეს ნაერთები ტრანსპორტირდებიან მიკროორგანიზმების შიდა ნახევარგამტარი მემბრანის გავლით, სადაც ისინი ასიმილირდებიან შესაბამისი მეტაბოლური გზის მეშვეობით, როგორც ნახშირბადის ან აზოტის წყარო.

 

პოლიმერების დეგრადაცია წყლის არეში

 წყლის არეში პოლიმერების ბიოტური დეგრადაციის დაწყებამდე, მისი დაშლის პროცესები იწყება აბიოტური ფაქტორების მოქმედებით; მექანიკური დეზინტეგრაცია განპირობებულია წყლის ტალღებთან ურთიერთქმედებით, ხოლო ქიმიურ თვისებებზე ზეგავლენას ახდენს ულტრაიისფერი გამოსხივება. პოლიმერის მცურავი ნაწილები ექვემდებარებიან ატმოსფეროს ჟანგვითი თვისებებისა და მზის სხივების ძლიერ ზემოქმედებას, რომელსაც ემატება წყლის მიერ ჰიდროლიზის უნარი; ეს ყველაფერი იწვევს მასალის დანაწევრებას, იგი ხდება მტვრევადი. სუდჰაკარმა (Sudhakar) და თანაავტ. [3] ბენგალის ყურეში 3 მეტრის სიღრმეზე 6 თვით ჩატვირთეს დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენის, მაღალი სიმკვრივის პოლიეთილენისა და პოლიპროპილენის ფირები (1.5 მმ სისქის) და აღმოაჩინეს, რომ ყველაზე მეტი წონის კლება მოხდა დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენის შემთხვევაში (2.5 %), მაღალი სიმკვრივის პოლიეთილენის შემთხვევაში შედარებით ნაკლები (0.75 %) და კიდევ უფრო ნაკლები პოლიპროპილენის შემთხვევაში (0.5 %). ამ კვლევის ავტორებმა ასევე შენიშნეს, რომ ის ნიმუშები, რომლებიც მოხვდნენ იქ, სადაც უფრო მაღალი შემცველობით იყო გახსნილი ჟანგბადი, უფრო მეტად იყვნენ დაჟანგულნი. რუტკოვსკამ (Rutkowska) და თანაავტ.[4] გამოიკვლიეს პოლიურეთანების დეგრადაცია ბალტიის ზღვაში 12 თვის მანძილზე და აღმოაჩინეს, რომ დეგრადაციის სიჩქარე დამოკიდებულია შეკერვის ხარისხზე. ოკეანის სიღრმეში, სადაც ვერ აღწევენ მზის სხივები და ჟანგვითი პროცესებიც არ მიმდინარეობს, აბიოტური დეგრადაციის სიჩქარე საკმაოდ დაბალია. ასეთ არეში ბიოდეგრადაციაც ითვლება მინიმალურად მიკროორგანიზმების სიმცირისა და არამრავალფეროვნების გამო.

 

პოლიმერების დეგრადაცია ნიადაგის არეში

პოლიმერების ნიადაგის არეში დეგრადაციის შესასწავლად გამოყენებული იქნა ნიადაგში დამარხვის ტექნიკა. დეგრადაცია მნიშვნელოვნად მოქმედებს ნიადაგის ტიპი. პოლიკაპროლაქტონი (სქემა  1) ლაბორატორიულ პირობებში უფრო მეტი ხარისხით დეგრადირდება თიხის ნიადაგებში, ვიდრე ქვიშიან ნიადაგებში, ვინაიდან თიხის ნიადაგებში წარმოდგენილია მიკროორგანიზმთა უფრო ფართო სპექტრი [5]. თუმცა, თუ შევადარებთ იმ ნიმუშებს, რომლებიც ექვემდებარებოდნენ მზის სხივების ზემოქმედებას, დამარხული ნიმუშები დეგრადირდებოდნენ უფრო ნელა.

 

სქემა. 1: პოლიკაპროლაქტონის ბიოდეგრადაციის სქემა

 

კიჟჩავენგკულმა (Kijchavengkul) და თანაავტ. [6] დამარხეს პოლიესტერის ფირები ნიადაგში 280 დღის მანძილზე და აღმოაჩინეს, რომ დეგრადაცია იყო მინიმალური იმ ფირებთან შედარებით, რომლებიც ექვემდებარებოდნენ მზის სხივების ზემოქმედებას. ანალოგიური შედეგი იქნა დაფიქსირებული უილიამსისა (Williams) და სიმონსის (Simmons) [7] მიერ პოლიეთილენის შემთხვევაში, რომელიც 4 თვის განმავლობაში ამყოფეს ნიადაგში დამარხული; ამ ფირებმა შეინარჩუნეს უფრო მეტი მდგრადობა გაწელვისადმი, ვიდრე იმ ფირებმა, რომლებიც ამ 4 თვის მანძილზე ექვემდებარებოდნენ მზის სხივების ზემოქმედებას.

შესწავლილ იქნა დამარხულ ნიმუშებზე ულტრაიისფერი სხივების ზემოქმედების გავლენაც. საადმა (Saad) და თანაავტ. [8] გამოიყენეს პოლიჰიდროქსიბუტირატის 0.1-0.12 მმ სისქის ფირები, დამარხეს ნიადაგში 28 დღის განმავლობაში და აღმოაჩინეს, რომ ის ნიმუშები, რომლებიც დაასხივეს ულტრაიისფერი სხივებით 9 საათის განმავლობაში, დაკარგე წონის დაახლოებით 52 %, ხოლო რომლებიც არ დაასხივეს, დაკარგეს დაახლოებით 32 %. სადიმ (Sadi) და თანაავტ.[9] ასევე გამოიყენეს პოლიჰიდროქსიბუტირატის ფირები, ოღონდ უფრო სქელი (3 მმ) და კიდევ ერთხელ დაადასტურეს, რომ ულტრაიისფერი სხივები ზრდიან დეგრადაციის სიჩქარეს, თუმცა ბევრად უფრო ნელია ეს პროცესი სქელი სისქის ფირის შემთხვევაში. ეს კვლევები აჩვენებენ, რომ წინასწარ „აბიოტურად დამუშავება“ წარმოადგენს პირველ ნაბიჯს პოლიმერის სტრუქტურის „დასუსტების“ საქმეში. სუდჰაკარმა (Sudhakar) და თანაავტ.[10] წყლის არეში აღმოაჩინეს, რომ დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენისა და მაღალი სიმკვრივის პოლიეთილენის წინასწარ თერმულად დამუშავებამ დააჩქარა ბიოდეგრადაციის პროცესი, რომელიც განპირობებული იყო ორი მიკრობით — Baccillus sphaericus-ითა და Bacillus cereus-ით. წყლის დაბალი ტემპერატურის გამო ითვლება, რომ თერმულ პროცესებს აქვთ მინიმალური როლი ზღვაში პლასტმასების დაშლის საქმეში.

ბიოდეგრადაციის კვლევები, როგორც წესი, დაფუძნებულია მიკრობული კულტურების კონკრეტული შტამების მიერ კონკრეტულ პოლიმერულ მასალებზე ზემოქმედების შესწავლაზე. აქტინომიცეტები არიან მიკრობთა ჯგუფი, რომლებიც ახდენენ ბუნებრივი კაუჩუკის დეგრადაციას, ასევე, Bacillus sp. SBS25 — საც შეუძლია, რომ გამოიყენოს ბუნებრივი კაუჩუკი, როგორც ნახშირბადის წყარო [11].

ბიოლოგიურ პროცესებზე გავლენას ახდენს მიკროორგანიზმების რაოდენობა და ტიპი, ასევე, გარემოს მიმართ მათი მგრძნობელობა სხვადასხვა პარამეტრებზე. კოუტნიმ (Koutny) და თანაავტ. [12] გამოყვეს ბაქტერიული შტამები ტყის ნიადაგიდან, რომელთა უმრავლესობა იყო პროტეობაქტერიების ჯგუფის წარმომადგენელი და, ასევე, როდოკოკების სამი შტამი; ამ კვლევამ აჩვენა, რომ ყველაზე მეტად გავრცელებულ ბაქტერიებს შეუძლიათ მიემაგრონ და გაიზარდონ დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენის ფირის დაჟანგულ ზედაპირზე.

სახამებლის შემცველი პოლიმერები ადვილად ექვემდებარებიან მიკრობების ზემოქმედებას; ზედაპირის ფართობის გაზრდა იწვევს ჟანგვითი და ჰიდროლიზური პროცესების გაძლიერებას. თეორიულად, პოლიმერის გამოთავისუფლებულ ფრაგმენტებს უნდა ჰქონდეს უფრო დიდი ზედაპირის ფართობი, ვიდრე საწყის პოლიმერს, რაც გააძლიერებს მის დეგრადაციას მიკრობიოტის მიერ; თუმცა, პოლიეთილენის შემთხვევაში აღმოჩენილ იქნა, რომ მიკროორგანიზმები ახდენდნენ მხოლოდ სახამებლის კომპონენტის უტილიზაციას და არ შეეძლოთ პოლიეთილენის დარჩენილი ფრაგმენტების დეგრადაცია; ვერ მოხერდა მოლეკულური მასის იმ დონემდე შემცირება, რომ გამხდარიყო ასიმილირებადი მიკრობული ბიომასის მიერ [13]. ასე რომ, დარჩენილი პოლიმერული მატრიცა იყო დაახლოებით ისეთივე არაბიოდაშლადი, როგორც საწყისი პოლიმერი. პოლიმერები, როგორიცაა მაგ.: სახამებლით დატვირთული პოლიეთილენი, იმის ნაცვლად, რომ იყვნენ ბიოდაშლადები, ხდება მხოლოდ მათი ბიოდეზინტეგრაცია.

 დასკვნა

 არსებობს მრავალი ნაშრომი სხვადასხვა ტიპის პოლიმერების განსხვავებულ პირობებში დეგრადაციის საკითხების შესახებ. ამ კვლევების უმრავლესობა ჩატარებულ იქნა ლაბორატორიულ პირობებში და მიმართული იყო ნიმუშებზე, რომლებიც ექვემდებარებოდნენ მაღალენერგეტიკული ულტრაიისფერი გამოსხივების ზემოქმედებას;  თუმცა, სასურველია, რომ ახალი კვლევები ჩატარდეს გარემოს პირობებთან უფრო მეტად მიახლოებულ პირობებში, რათა შედეგი იყოს უფრო მეტად რეალური. ამ მიდგომამ უნდა გაითვალისწინოს ის მიკრობული კულტურები, რომლებიც გვხდებიან ბუნებაში (მაგ.: სასოფლო-სამეურნეო ნიადაგში, ზღვებში და ა.შ.) და არ გამოვიყენოთ ხელოვნურად კონცენტრირებული კულტურები. ასევე, აუცილებელია, რომ ყურადღება მიექცეს სხვადასხვა სისქის მქონე პოლიმერული მასალების გამოცდას და დადგენილ იქნას, შესაძლებელია თუ არა პოლიმერული მასალებისგან დამზადებული ფირების ნახევარდაშლის პერიოდის განსაზღვრა.

 

 

გამოყენებული 

1. Palmisano, A. C., & Pettigrew, C. A. (1992). Biodegradability of plastics. Bioscience, 42(9), 680-685.
2. Roy, P. K., Titus, S., Surekha, P., Tulsi, E., Deshmukh, C., & Rajagopal, C. (2008). Degradation of abiotically aged LDPE films containing pro-oxidant by bacterial consortium. Polymer Degradation and Stability, 93(10), 1917-1922.
3. Sudhakar, M., Trishul, A., Doble, M., Kumar, K. S., Jahan, S. S., Inbakandan, D., ... & Venkatesan, R. (2007). Biofouling and biodegradation of polyolefins in ocean waters. Polymer Degradation and Stability, 92(9), 1743-1752.
4. Rutkowska, M., Krasowska, K., Heimowska, A., Steinka, I., & Janik, H. (2002). Degradation of polyurethanes in sea water. Polymer Degradation and Stability, 76(2), 233-239.
5. César, M. E. F., Mariani, P. D. S. C., Innocentini-Mei, L. H., & Cardoso, E. J. B. N. (2009). Particle size and concentration of poly (ɛ-caprolactone) and adipate modified starch blend on mineralization in soils with differing textures. Polymer Testing, 28(7), 680-687.
6. Kijchavengkul, T., Auras, R., Rubino, M., Alvarado, E., Montero, J. R. C., & Rosales, J. M. (2010). Atmospheric and soil degradation of aliphatic–aromatic polyester films. Polymer Degradation and Stability, 95(2), 99-107.
7. Williams, A. T., & Simmons, S. L. (1996). The degradation of plastic litter in rivers: implications for beaches. Journal of Coastal Conservation, 2(1), 63-72.
8. Saad, G. R., Khalil, T. M., & Sabaa, M. W. (2010). Photo-and bio-degradation of poly (ester-urethane) s films based on poly [(R)-3-Hydroxybutyrate] and poly (ε-Caprolactone) blocks. Journal of polymer research, 17(1), 33.
9. Sadi, R. K., Fechine, G. J. M., & Demarquette, N. R. (2010). Photodegradation of poly(3-hydroxybutyrate). Polymer Degradation and Stability, 95(12), 2318-2327.
10. Sudhakar, M., Doble, M., Murthy, P. S., & Venkatesan, R. (2008). Marine microbe-mediated biodegradation of low-and high-density polyethylenes. International Biodeterioration & Biodegradation, 61(3), 203-213.
11. Cherian, E., & Jayachandran, K. (2009). Microbial Degradation of Natural Rubber Latex by a novel Species of Bacillus sp SBS25 isolated from soil. International Journal of Environmental Researh, 3(4), 599-604.
12. Koutny, M., Amato, P., Muchova, M., Ruzicka, J., & Delort, A. M. (2009). Soil bacterial strains able to grow on the surface of oxidized polyethylene film containing prooxidant additives. International Biodeterioration & Biodegradation, 63(3), 354-357.
13. Klemchuk, P. P. (1990). Degradable plastics: a critical review. Polymer Degradation and Stability, 27(2), 183-202.

 

გამოქვეყნებულია: 30-12-2020