Биоразложение: процессы, виды и применение

Введение

Разложение живыми организмами

Биодеградация – это распад органического вещества под воздействием микроорганизмов, таких как бактерии и грибы. Обычно считается, что это естественный процесс, что отличает его от компостирования. Компостирование – это процесс, инициируемый человеком, в котором биодеградация происходит при определенных условиях. Процесс биодеградации состоит из трех этапов: сначала объект подвергается биодеструкции – механическому ослаблению его структуры; затем следует биофрагментация – распад материалов микроорганизмами; и, наконец, ассимиляция – включение старого материала в состав новых клеток. На практике почти все химические соединения и материалы подвержены биодеградации, ключевым фактором которой является время. Например, овощи могут разлагаться за несколько дней, в то время как стекло и некоторые виды пластика – за многие тысячелетия. Стандарт биоразлагаемости, используемый Европейским Союзом, предполагает, что более 90% исходного материала должно быть преобразовано в воду и минеральные вещества биологическими процессами в течение 6 месяцев.

Биоразлагаемая технология

Биоразлагаемая технология – это устоявшаяся технология, имеющая некоторые применения в упаковке продукции, производстве и медицине. Главным препятствием для широкого внедрения является компромисс между биоразлагаемостью и эксплуатационными характеристиками. Например, пластики на основе лактида уступают традиционным материалам по свойствам упаковки. Оксибиоразложение определяется CEN (Европейской организацией по стандартизации) как «разложение, возникающее в результате окислительных и клеточных процессов одновременно или последовательно». Хотя иногда описывается как «оксиофрагментируемые» и «оксиоразлагаемые», эти термины описывают только начальную или окислительную фазу и не должны использоваться для материалов, разлагающихся в процессе оксибиоразложения, определенного CEN: правильное описание – «оксиобиоразлагаемые». Оксибиоразлагаемые составы ускоряют процесс биоразложения, но для балансировки ингредиентов в составе и обеспечения продукту полезного срока службы в течение определенного периода, за которым последует разложение и биоразложение, требуются значительные навыки и опыт. Биоразлагаемая технология особенно востребована в биомедицинском сообществе. Биоразлагаемые полимеры классифицируются на три группы: медицинские, экологические и для двойного применения, а по происхождению – на две группы: природные и синтетические. Другие биомедицинские применения включают использование биоразлагаемых эластичных полимеров с памятью формы. Биоразлагаемые имплантационные материалы теперь могут использоваться при малоинвазивных хирургических процедурах с применением разлагаемых термопластичных полимеров. Эти полимеры способны изменять свою форму при повышении температуры, приобретая свойства памяти формы, а также легко разлагаются в виде швов. В результате имплантаты теперь могут вводиться через небольшие разрезы, врачи могут легко выполнять сложные манипуляции, а швы и другие вспомогательные материалы могут естественным образом биоразлагаться после завершения операции.

Биоразложение и компостирование

Не существует универсального определения биоразложения, и существуют различные определения компостирования, что привело к значительной путанице между этими терминами. Их часто объединяют, однако они не имеют одинакового значения. Биоразложение – это естественный процесс распада материалов микроорганизмами, такими как бактерии и грибы, или в результате иной биологической активности. Компостирование – это процесс, инициируемый человеком, в ходе которого биоразложение происходит при определенных условиях. Главное различие между ними заключается в том, что один процесс происходит естественным образом, а другой – под воздействием человека. Биоразлагаемый материал способен разлагаться без доступа кислорода (анаэробно) до углекислого газа, воды и биомассы, однако сроки этого процесса определены не очень четко. Аналогично, компостируемый материал распадается на углекислый газ, воду и биомассу, но также и на неорганические соединения. Процесс компостирования определен более конкретно, поскольку он контролируется человеком. По сути, компостирование – это ускоренное биоразложение, обусловленное оптимизированными условиями. Кроме того, конечный продукт компостирования не только возвращается в исходное состояние, но и генерирует и добавляет в почву полезные микроорганизмы, называемые гумусом. Это органическое вещество можно использовать в садах и на фермах для выращивания более здоровых растений в будущем. Компостирование происходит более последовательно и в более короткие сроки, поскольку это более определенный процесс, ускоряемый вмешательством человека. Биоразложение может происходить в разные сроки и при различных обстоятельствах, но должно происходить естественным путем, без вмешательства человека. Даже в рамках компостирования существуют различные условия, при которых оно может происходить. Два основных типа компостирования – домашнее и промышленное. Оба дают здоровую почву для повторного использования, но главное различие заключается в том, какие материалы могут быть использованы в процессе. В следующих исследованиях приводятся примеры, в которых компостирование определяется как подмножество биоразложения в научном контексте. В первом исследовании «Оценка биоразлагаемости пластмасс в имитированных условиях компостирования в лабораторных условиях» компостирование рассматривается как набор условий, подпадающих под категорию разложения. Кроме того, в следующем исследовании рассматривались эффекты биоразложения и компостирования химически и физически сшитой полимолочной кислоты, где компостирование и биоразложение четко рассматривались как два различных термина. В третьем и последнем исследовании рассматривается европейская стандартизация биоразлагаемых и компостируемых материалов в упаковочной промышленности, вновь используя эти термины раздельно. Разграничение между этими терминами имеет решающее значение, поскольку путаница в управлении отходами приводит к неправильной утилизации материалов людьми ежедневно. Технология биоразложения привела к значительному улучшению способов утилизации отходов; теперь существуют контейнеры для мусора, переработки и компостирования, чтобы оптимизировать этот процесс. Однако, если эти потоки отходов часто путают, процесс утилизации не будет оптимизирован. Биоразлагаемые и компостируемые материалы были разработаны для того, чтобы большая часть отходов могла разлагаться и возвращаться в исходное состояние, или, в случае компостирования, даже обогащать почву питательными веществами. Если компостируемый продукт выбрасывается вместо компостирования и отправляется на свалку, все эти изобретения и усилия оказываются напрасными. Поэтому важно, чтобы граждане понимали разницу между этими терминами, чтобы материалы могли утилизироваться правильно и эффективно.

There is no universal definition for biodegradation and there are various definitions of composting, which has led to much confusion between the terms. They are often lumped together; however, they do not have the same meaning. Biodegradation is the naturally occurring breakdown of materials by microorganisms such as bacteria and fungi or other biological activity. Composting is a human driven process in which biodegradation occurs under a specific set of circumstances. The predominant difference between the two is that one process is naturally occurring and one is human driven. Biodegradable material is capable of decomposing without an oxygen source (anaerobically) into carbon dioxide, water, and biomass, but the timeline is not very specifically defined. Similarly, compostable material breaks down into carbon dioxide, water, and biomass; however, compostable material also breaks down into inorganic compounds. The process for composting is more specifically defined, as it is controlled by humans. Essentially, composting is an accelerated biodegradation process due to optimized circumstances. Additionally, the end product of composting not only returns to its previous state, but also generates and adds beneficial microorganisms to the soil called humus. This organic matter can be used in gardens and on farms to help grow healthier plants in the future. Composting more consistently occurs within a shorter time frame since it is a more defined process and is expedited by human intervention. Biodegradation can occur in different time frames under different circumstances, but is meant to occur naturally without human intervention. Even within composting, there are different circumstances under which this can occur. The two main types of composting are at home versus commercial. Both produce healthy soil to be reused the main difference lies in what materials are able to go into the process. The following studies provide examples in which composting has been defined as a subset of biodegradation in a scientific context. The first study, "Assessment of Biodegradability of Plastics Under Simulated Composting Conditions in a Laboratory Test Setting," clearly examines composting as a set of circumstances that falls under the category of degradation. Additionally, this next study looked at the biodegradation and composting effects of chemically and physically crosslinked polylactic acid. Notably discussing composting and biodegrading as two distinct terms. The third and final study reviews European standardization of biodegradable and compostable material in the packaging industry, again using the terms separately. The distinction between these terms is crucial because waste management confusion leads to improper disposal of materials by people on a daily basis. Biodegradation technology has led to massive improvements in how we dispose of waste; there now exist trash, recycling, and compost bins in order to optimize the disposal process. However, if these waste streams are commonly and frequently confused, then the disposal process is not at all optimized. Biodegradable and compostable materials have been developed to ensure more of human waste is able to breakdown and return to its previous state, or in the case of composting even add nutrients to the ground. When a compostable product is thrown out as opposed to composted and sent to a landfill, these inventions and efforts are wasted. Therefore, it is important for citizens to understand the difference between these terms so that materials can be disposed of properly and efficiently.

Экологические и социальные последствия

Загрязнение пластиком в результате незаконного сброса представляет угрозу для здоровья дикой природы. Животные часто принимают пластик за пищу, что приводит к его застреванию в кишечнике. Медленно разлагающиеся химические вещества, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ), нонилфенол (НП) и пестициды, также содержащиеся в пластике, могут высвобождаться в окружающую среду и впоследствии попадать в организм диких животных. Эти химические вещества также влияют на здоровье человека, поскольку употребление загрязненной пищи (в процессах, называемых биомагнификацией и биоаккумуляцией) связано с такими проблемами, как рак, неврологические расстройства и гормональные изменения. Недавним примером влияния биомагнификации на здоровье является повышение уровня воздействия опасно высоких концентраций ртути в рыбе, что может влиять на половые гормоны у людей. В попытках устранить ущерб, нанесенный медленно разлагающимися пластиками, моющими средствами, металлами и другими загрязнителями, созданными человеком, экономические затраты вызывают серьезную обеспокоенность. Особенно сложно оценить и проанализировать загрязнение морской среды. Исследователи из Всемирного торгового института оценивают, что стоимость инициатив по очистке (в частности, в океанических экосистемах) достигает почти тринадцати миллиардов долларов в год. Основная проблема связана с морской средой, при этом основные усилия по очистке сосредоточены вокруг мусорных пятен в океане. В 2017 году в Тихом океане было обнаружено мусорное пятно размером с Мексику, площадь которого оценивается более чем в миллион квадратных миль. Хотя в этом пятне содержится больше заметных отходов (пластиковые бутылки, банки и пакеты), крошечный микропластик практически невозможно удалить. По данным National Geographic, ежегодно в уязвимые среды попадает еще больше неразлагаемых материалов – почти тридцать восемь миллионов единиц. Материалы, которые не разложились, также могут служить убежищем для инвазивных видов, таких как трубчатые черви и ракушки. Когда экосистема меняется в ответ на инвазивные виды, изменяются виды-резиденты и естественный баланс ресурсов, генетическое разнообразие и видовое богатство. Эти факторы поддерживают местную экономику, в частности охоту и аквакультуру, которые страдают от этих изменений. Аналогичным образом, прибрежные сообщества, сильно зависящие от экотуризма, теряют доходы из-за накопления загрязнений, поскольку их пляжи или береговая линия перестают быть привлекательными для туристов. Всемирный торговый институт также отмечает, что сильнее всего от плохого биоразложения страдают более бедные страны, у которых нет средств для оплаты очистки.

Plastic pollution from illegal dumping poses health risks to wildlife. Animals often mistake plastics for food, resulting in intestinal entanglement. Slow degrading chemicals, like polychlorinated biphenyls (PCBs), nonylphenol (NP), and pesticides also found in plastics, can release into environments and subsequently also be ingested by wildlife. These chemicals also play a role in human health, as consumption of tainted food (in processes called biomagnification and bioaccumulation) has been linked to issues such as cancers, neurological dysfunction, and hormonal changes. A well known example of biomagnification impacting health in recent times is the increased exposure to dangerously high levels of mercury in fish, which can affect sex hormones in humans. In efforts to remediate the damages done by slow degrading plastics, detergents, metals, and other pollutants created by humans, economic costs have become a concern. Marine litter in particular is notably difficult to quantify and review. Researchers at the World Trade Institute estimate that cleanup initiatives' cost (specifically in ocean ecosystems) has hit close to thirteen billion dollars a year. The main concern stems from marine environments, with the biggest cleanup efforts centering around garbage patches in the ocean. In 2017, a garbage patch the size of Mexico was found in the Pacific Ocean. It is estimated to be upwards of a million square miles in size. While the patch contains more obvious examples of litter (plastic bottles, cans, and bags), tiny microplastics are nearly impossible to clean up. National Geographic reports that even more non biodegradable materials are finding their way into vulnerable environments nearly thirty eight million pieces a year. Materials that have not degraded can also serve as shelter for invasive species, such as tube worms and barnacles. When the ecosystem changes in response to the invasive species, resident species and the natural balance of resources, genetic diversity, and species richness is altered. These factors may support local economies in way of hunting and aquaculture, which suffer in response to the change. Similarly, coastal communities which rely heavily on ecotourism lose revenue thanks to a buildup of pollution, as their beaches or shores are no longer desirable to travelers. The World Trade Institute also notes that the communities who often feel most of the effects of poor biodegradation are poorer countries without the means to pay for their cleanup.

Этимология "биоразлагаемый"

Первое известное использование термина "биоразлагаемый" в биологическом контексте относится к 1959 году, когда он был применен для описания распада материала на безвредные составляющие под воздействием микроорганизмов. В настоящее время "биоразлагаемый" обычно ассоциируется с экологически безопасными продуктами, которые являются частью естественных циклов Земли, таких как круговорот углерода, и способны разлагаться обратно в природные элементы.