Биологическое разрушение полимерной упаковки в условиях, приближенных к естественным
Аннотация
Современные системы раздельного сбора и рециклинга отходов не способны эффективно переработать все упаковочные материалы в составе твердых коммунальных отходов, в частности, тонкостенные изделия, которые не поддаются биоразложению полимерных материалов. Законодательное закрепление необходимости снижения части такой упаковки и даже отказа от нее приводят к разработке новых материалов для этих целей, адекватных критериев и способов установления биоразлагаемости. Оценена биоразлагаемость образца упаковочного материала, состоящего из крахмала, полилактида и полиэфира терефталевой кислоты, в условиях, приближенных к естественным, - в почве и водной среде. Упаковочный материал быстрее разрушается в водной среде, биоразрушение идет активнее в присутствии пептидов, а механическое разрушение быстрее достигается при чередовании увлажнения с подсушиванием. Ведущую роль при биоразрушении играют бактериальные культуры, однако культуры микроскопических грибов практически не обнаруживались. Этот факт может быть связан с эффектом фотоинактивации активных форм кислорода на поверхности оксида титана.
Литература
1. Kassouf A, Maalouly J, Rutledge DN, Chebib H, Ducruet V. Rapid discrimination of plastic packaging materials using MIR spectroscopy coupled with independent components analysis (ICA). Waste Management. 2014;34(11):2131-2138. DOI: 10.1016/j. wasman. 2014.06.015.
2. Horodytska O, Valdes FJ, Fullana A. Plastic flexible films waste management - A state of art review. Waste Management. 2018;77:413-425. DOI: 10.1016/j.wasman.2018.04.023.
3. Schyns ZOG, Shaver MP. Mechanical Recycling of Packaging Plastics: A Review. Macromolecular Rapid Communications. 2021;42(3). DOI: 10.1002/marc.202000415.
4. Antonopoulos I, Faraca G, Tonini D. Recycling of post-consumer plastic packaging waste in the EU: Recovery rates, material flows, and barriers. Waste Management. 2021;126:694-705. DOI: 10.1016/j.wasman.2021.04.002.
5. Dahlbo H, Poliakova V, Myllari V, Sahimaa O, Anderson R. Recycling potential of post-consumer plastic packaging waste in Finland. Waste Management. 2018;71:52-61. DOI: 10.1016/j.wasman.2017.10.033.
6. Beghetto V, Sole R., Buranello Ch, Al-Abkal M, Facchin M. Recent Advancements in Plastic Packaging Recycling: A MiniReview. Materials. 2021;14(17):4782. DOI: 10.3390/ma14174782.
7. Siddique R, Khatib J, Kaur I. Use of recycled plastic in concrete: a review. Waste Management. 2008;28(10):1835-1852. DOI: 10.1016/j.wasman.2007.09.011.
8. Клинков АС, Беляев ПС, Скуратов ВК, Соколов МВ, Ефремов ОВ, Однолько ВГ. Рециклинг и утилизация тары и упаковки. Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО «ТГТУ»; 2010.
9. O поэтапном снижении использования полимерной упаковки: Постановление Совета министров Республики Беларусь, 13.01.2020, № 7 [Интернет]. Национальной правовой Интернет-портал Республики Беларусь. URL: https://pravo.by/document/?g uid=12551&p0=C22000007&p1=1 (дата обращения: 15 февраля 2021).
10. Рымовская МВ, Раткевич МВ, Петрушеня АФ, Гребенчикова ИА, Сергиевич ДС, Рагатка ДА. Состав, свойства и биологическое разрушение упаковочного материала на основе кукурузы. В: Технология органических веществ: материалы 85-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (с международным участием). Минск, 1-13 февраля 2021 г. Минск: БГТУ; 2021. с. 360-362.
11. Biopolymers facts and statistics 2020 Production capacities, processing routes, feedstock, land and water use [Internet; cited 2020 November 20]. Available from: https://www.ifbb-hannover.de/files/IfBB/downloads/faltblaetter_broschueren/f+s/Biopolymers-Facts-Statistics-2020.pdf.
12. Sheehan RJ. Terephthalic Acid, Dimethyl Terephthalate, and Isophthalic Acid. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. 2011. DOI: 10.1002/14356007.a26_193.pub2.
13. Желифонова ВП, Антипова ТВ, Зайцев КВ, Недорезова РМ, и др. В: Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов. Текст доклада в рамках работы V Пущинской школы-конференции. Пущино, 3-7 декабря 2018. [Интернет]. Интеллектуальная система тематического исследования наукометрических данных. URL: https://istina.msu.ru/conferences/ presentations/161190785/ (дата обращения: 05 октября 2021).
14. Попов АА, Лихачев АН, Масталыгина ЕЕ. Влияние наполнителей природного происхождения для биодеградируемых композиций на основе синтетических полимеров на рост и биологическую активность тест-культур микромицетов. В: Полимеры-2014. Тезисы стендовых докладов Всероссийской Каргинской конференции. Москва, 27-31 января 2014 г. Том 2. Часть 1. Москва: [б. и.]; 2014. с. 510.
15. Тертышная ЮВ, Подзорова МВ, Шибряева ЛС, Попов АА. Биодеструкция тонких пленок на основе полилактида и поли-3-гидроксибутирата. В: Полимеры-2014. Тезисы стендовых докладов шестой Всероссийской Каргинской конференции. Москва, 27-31 января 2014 г. Том 2. Часть 1. Москва: [б. и.]; 2014. с. 525.
16. Dqbrowska GB, Janczak K, Richert A. Combined use of Bacillus strains and Miscanthus for accelerating biodegradation of poly(lactic acid) and poly(ethylene terephthalate). PeerJ. Life and Environment (open access journal). 2021;3. DOI: 10.7717/peerj.10957.
17. Arena M, Abbate C, Fukushima K, Gennari M. Degradation of poly (lactic acid) and nanocomposites by Bacillus licheniformis. Environmental Science and Pollution Research. 2011;18(6):865-870. DOI: 10.1007/s11356-011-0443-2.
18. Magalhaes RP, orge Cunha JM, Sousa SF. Perspectives on the Role of Enzymatic Biocatalysis for the Degradation of Plastic PET. International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(20):11257. DOI: 10.3390/ijms222011257.
19. Zumstein MTh, Schintlmeister A, Nelson TF, Baumgartner R, Woebken D, et al. Biodegradation of synthetic polymers in soils: Tracking carbon into CO2 and microbial biomass. Science Advances. 2018;4(7). DOI: 10.1126/sciadv.aas9024.
20. Mohanan N, Montazer Z, Sharma PK, Levin DB. Microbial and Enzymatic Degradation of Synthetic Plastics. Frontiers in Microbiology. 2020;11. DOI: 10.3389/fmicb.2020.580709
21. Yuanze S, Chongxue D, Na C, et al. Biodegradable and conventional microplastics exhibit distinct microbiome, functionality, and metabolome changes in soil. Journal of Hazardous Materials. 2021;424(Pt A):127282. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.127282.
22. Fu Y, Wu G, Bian X, Zeng J, Weng Y. Biodegradation Behavior of Poly(Butylene Adipate-Co-Terephthalate) (PBAT), Poly(Lactic Acid) (PLA), and Their Blend in Freshwater with Sediment. Molecules. 2020;25(17):3946. DOI: 10.3390/molecules25173946.
23. Mohanan N, Montazer Z, Sharma PK, Levin DB. Microbial and Enzymatic Degradation of Synthetic Plastics. Frontiers in Microbiology. 2020;11:580709. DOI: 10.3389/fmicb.2020.580709.
24. Moore-Kucera J, Cox SB, Peyron M, Bailes G, et al. Native soil fungi associated with compostable plastics in three contrasting agricultural settings. Applied Microbiology and Biotechnology. 2014;98(14):6467-6485. DOI: 10.1007/s00253-014-5711-x.
25. Sintim HY, Bary AI, Hayes DG, Wadsworth LC, et al. In situ degradation of biodegradable plastic mulch films in compost and agricultural soils. Science of the Total Environment. 2020;727:138668. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.138668.
26. Mohanan N, Montazer Z, Sharma PK, Levin D. B. Microbial and Enzymatic Degradation of Synthetic Plastics. Frontiers in Microbiology. 2020;11:580709. DOI: 10.3389/fmicb.2020.580709.
27. Huang Y, Zhao Y, Wang J, Zhang M, Jia W, Qin X. LDPE microplastic films alter microbial community composition and enzymatic activities in soil. Environmental Pollution. 2019;254(Pt A):112983. DOI: 10.1016/j.envpol.2019.112983.
28. Delacuvellerie A, Benali S, Cyriaque V, Moins S, Raquez J.-M, Gobert S, Wattiez R. Microbial biofilm composition and polymer degradation of compostable and non-compostable plastics immersed in the marine environment. Journal of Hazardous Materials. 2021;419:126526. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.126526.
29. Denaro R, Aulenta F, Crisafi F, Pippo FD, et al. Marine hydrocarbon-degrading bacteria breakdown poly(ethylene terephthalate) (PET). Science of the Total Environment. 2020;749:141608. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.141608.
30. Lear G, Kingsbury JM, Franchini S, Gambarini V, Maday SDM, Wallbank JA, et al. Plastics and the microbiome: impacts and solutions. Environmental Microbiome. 2021;16(1):2. DOI: 10.1186/s40793-020-00371-w.
31. Hosni ASA, Pittman JK, Robson GD. Microbial degradation of four biodegradable polymers in soil and compost demonstrating polycaprolactone as an ideal compostable plastic. Waste Management. 2019;97:105-114. DOI: 10.1016/j.wasman.2019.07.042.
32. Хоулт Дж, Криг Н, Смит П, Стейли Дж, Уилльямс С, редакторы. Определитель бактерий Берджи. Том 2. [перевод с английского]. Москва: Мир; 1997. 368 с.
33. Li F, Wang S, Liu W, Chen G. Progress on biodegradation of polylactic acid - a review. Acta Microbiologica Sinica. 2008;48(2):262-268.
34. Багаева ТВ, Ионова НЭ, Надеева ГВ. Микробиологическая ремедиация природных систем от тяжелых металлов. Казань: Казанский университет: 2013. с. 8-10.
35. Narayanan M, Loganathan S, Valapa RB, Thomas S, Varghese TO. UV protective poly(lactic acid)/rosin films for sustainable packaging. International Journal of Biological Macromolecules. 2017;99:37-45. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2017.01.152.
36. Nguyen VP, Yoo J, Lee JY, Chung JJ, et al. Enhanced Mechanical Stability and Biodegradability of Ti-Infiltrated Polylactide. ACS Applied Materials & Interfaces. 2020;12(39):43501-43512. DOI: 10.1021/acsami.0c13246.
37. Асанова АА, Полонский ВИ, Мануковский НС, Хижняк СВ. Фунгистатическая активность техногенных наночастиц. Российские нанотехнологии. 2018;13(5-6):62-66.
38. Skorb EV, Antonouskaya LI, Belyasova NA, Shchukin DG, et al. Antibacterial activity of thin-film photocatalysts based on metal-modified TiO2 and TiO2:In2O3 nanocomposite. Applied Catalysis B: Environmental. 2008;84(1-2):94-99.
39. Скорб ЕВ, Манько ЮМ, Белясова НА, Свиридов ДВ. Фотоинактивация клеток дрожжей в присутствии диоксида титана. В: Свиридовские чтения. Выпуск 7. Минск: БГУ; 2011. с. 101-106.
2. Horodytska O, Valdes FJ, Fullana A. Plastic flexible films waste management - A state of art review. Waste Management. 2018;77:413-425. DOI: 10.1016/j.wasman.2018.04.023.
3. Schyns ZOG, Shaver MP. Mechanical Recycling of Packaging Plastics: A Review. Macromolecular Rapid Communications. 2021;42(3). DOI: 10.1002/marc.202000415.
4. Antonopoulos I, Faraca G, Tonini D. Recycling of post-consumer plastic packaging waste in the EU: Recovery rates, material flows, and barriers. Waste Management. 2021;126:694-705. DOI: 10.1016/j.wasman.2021.04.002.
5. Dahlbo H, Poliakova V, Myllari V, Sahimaa O, Anderson R. Recycling potential of post-consumer plastic packaging waste in Finland. Waste Management. 2018;71:52-61. DOI: 10.1016/j.wasman.2017.10.033.
6. Beghetto V, Sole R., Buranello Ch, Al-Abkal M, Facchin M. Recent Advancements in Plastic Packaging Recycling: A MiniReview. Materials. 2021;14(17):4782. DOI: 10.3390/ma14174782.
7. Siddique R, Khatib J, Kaur I. Use of recycled plastic in concrete: a review. Waste Management. 2008;28(10):1835-1852. DOI: 10.1016/j.wasman.2007.09.011.
8. Клинков АС, Беляев ПС, Скуратов ВК, Соколов МВ, Ефремов ОВ, Однолько ВГ. Рециклинг и утилизация тары и упаковки. Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО «ТГТУ»; 2010.
9. O поэтапном снижении использования полимерной упаковки: Постановление Совета министров Республики Беларусь, 13.01.2020, № 7 [Интернет]. Национальной правовой Интернет-портал Республики Беларусь. URL: https://pravo.by/document/?g uid=12551&p0=C22000007&p1=1 (дата обращения: 15 февраля 2021).
10. Рымовская МВ, Раткевич МВ, Петрушеня АФ, Гребенчикова ИА, Сергиевич ДС, Рагатка ДА. Состав, свойства и биологическое разрушение упаковочного материала на основе кукурузы. В: Технология органических веществ: материалы 85-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (с международным участием). Минск, 1-13 февраля 2021 г. Минск: БГТУ; 2021. с. 360-362.
11. Biopolymers facts and statistics 2020 Production capacities, processing routes, feedstock, land and water use [Internet; cited 2020 November 20]. Available from: https://www.ifbb-hannover.de/files/IfBB/downloads/faltblaetter_broschueren/f+s/Biopolymers-Facts-Statistics-2020.pdf.
12. Sheehan RJ. Terephthalic Acid, Dimethyl Terephthalate, and Isophthalic Acid. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. 2011. DOI: 10.1002/14356007.a26_193.pub2.
13. Желифонова ВП, Антипова ТВ, Зайцев КВ, Недорезова РМ, и др. В: Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов. Текст доклада в рамках работы V Пущинской школы-конференции. Пущино, 3-7 декабря 2018. [Интернет]. Интеллектуальная система тематического исследования наукометрических данных. URL: https://istina.msu.ru/conferences/ presentations/161190785/ (дата обращения: 05 октября 2021).
14. Попов АА, Лихачев АН, Масталыгина ЕЕ. Влияние наполнителей природного происхождения для биодеградируемых композиций на основе синтетических полимеров на рост и биологическую активность тест-культур микромицетов. В: Полимеры-2014. Тезисы стендовых докладов Всероссийской Каргинской конференции. Москва, 27-31 января 2014 г. Том 2. Часть 1. Москва: [б. и.]; 2014. с. 510.
15. Тертышная ЮВ, Подзорова МВ, Шибряева ЛС, Попов АА. Биодеструкция тонких пленок на основе полилактида и поли-3-гидроксибутирата. В: Полимеры-2014. Тезисы стендовых докладов шестой Всероссийской Каргинской конференции. Москва, 27-31 января 2014 г. Том 2. Часть 1. Москва: [б. и.]; 2014. с. 525.
16. Dqbrowska GB, Janczak K, Richert A. Combined use of Bacillus strains and Miscanthus for accelerating biodegradation of poly(lactic acid) and poly(ethylene terephthalate). PeerJ. Life and Environment (open access journal). 2021;3. DOI: 10.7717/peerj.10957.
17. Arena M, Abbate C, Fukushima K, Gennari M. Degradation of poly (lactic acid) and nanocomposites by Bacillus licheniformis. Environmental Science and Pollution Research. 2011;18(6):865-870. DOI: 10.1007/s11356-011-0443-2.
18. Magalhaes RP, orge Cunha JM, Sousa SF. Perspectives on the Role of Enzymatic Biocatalysis for the Degradation of Plastic PET. International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(20):11257. DOI: 10.3390/ijms222011257.
19. Zumstein MTh, Schintlmeister A, Nelson TF, Baumgartner R, Woebken D, et al. Biodegradation of synthetic polymers in soils: Tracking carbon into CO2 and microbial biomass. Science Advances. 2018;4(7). DOI: 10.1126/sciadv.aas9024.
20. Mohanan N, Montazer Z, Sharma PK, Levin DB. Microbial and Enzymatic Degradation of Synthetic Plastics. Frontiers in Microbiology. 2020;11. DOI: 10.3389/fmicb.2020.580709
21. Yuanze S, Chongxue D, Na C, et al. Biodegradable and conventional microplastics exhibit distinct microbiome, functionality, and metabolome changes in soil. Journal of Hazardous Materials. 2021;424(Pt A):127282. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.127282.
22. Fu Y, Wu G, Bian X, Zeng J, Weng Y. Biodegradation Behavior of Poly(Butylene Adipate-Co-Terephthalate) (PBAT), Poly(Lactic Acid) (PLA), and Their Blend in Freshwater with Sediment. Molecules. 2020;25(17):3946. DOI: 10.3390/molecules25173946.
23. Mohanan N, Montazer Z, Sharma PK, Levin DB. Microbial and Enzymatic Degradation of Synthetic Plastics. Frontiers in Microbiology. 2020;11:580709. DOI: 10.3389/fmicb.2020.580709.
24. Moore-Kucera J, Cox SB, Peyron M, Bailes G, et al. Native soil fungi associated with compostable plastics in three contrasting agricultural settings. Applied Microbiology and Biotechnology. 2014;98(14):6467-6485. DOI: 10.1007/s00253-014-5711-x.
25. Sintim HY, Bary AI, Hayes DG, Wadsworth LC, et al. In situ degradation of biodegradable plastic mulch films in compost and agricultural soils. Science of the Total Environment. 2020;727:138668. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.138668.
26. Mohanan N, Montazer Z, Sharma PK, Levin D. B. Microbial and Enzymatic Degradation of Synthetic Plastics. Frontiers in Microbiology. 2020;11:580709. DOI: 10.3389/fmicb.2020.580709.
27. Huang Y, Zhao Y, Wang J, Zhang M, Jia W, Qin X. LDPE microplastic films alter microbial community composition and enzymatic activities in soil. Environmental Pollution. 2019;254(Pt A):112983. DOI: 10.1016/j.envpol.2019.112983.
28. Delacuvellerie A, Benali S, Cyriaque V, Moins S, Raquez J.-M, Gobert S, Wattiez R. Microbial biofilm composition and polymer degradation of compostable and non-compostable plastics immersed in the marine environment. Journal of Hazardous Materials. 2021;419:126526. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.126526.
29. Denaro R, Aulenta F, Crisafi F, Pippo FD, et al. Marine hydrocarbon-degrading bacteria breakdown poly(ethylene terephthalate) (PET). Science of the Total Environment. 2020;749:141608. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.141608.
30. Lear G, Kingsbury JM, Franchini S, Gambarini V, Maday SDM, Wallbank JA, et al. Plastics and the microbiome: impacts and solutions. Environmental Microbiome. 2021;16(1):2. DOI: 10.1186/s40793-020-00371-w.
31. Hosni ASA, Pittman JK, Robson GD. Microbial degradation of four biodegradable polymers in soil and compost demonstrating polycaprolactone as an ideal compostable plastic. Waste Management. 2019;97:105-114. DOI: 10.1016/j.wasman.2019.07.042.
32. Хоулт Дж, Криг Н, Смит П, Стейли Дж, Уилльямс С, редакторы. Определитель бактерий Берджи. Том 2. [перевод с английского]. Москва: Мир; 1997. 368 с.
33. Li F, Wang S, Liu W, Chen G. Progress on biodegradation of polylactic acid - a review. Acta Microbiologica Sinica. 2008;48(2):262-268.
34. Багаева ТВ, Ионова НЭ, Надеева ГВ. Микробиологическая ремедиация природных систем от тяжелых металлов. Казань: Казанский университет: 2013. с. 8-10.
35. Narayanan M, Loganathan S, Valapa RB, Thomas S, Varghese TO. UV protective poly(lactic acid)/rosin films for sustainable packaging. International Journal of Biological Macromolecules. 2017;99:37-45. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2017.01.152.
36. Nguyen VP, Yoo J, Lee JY, Chung JJ, et al. Enhanced Mechanical Stability and Biodegradability of Ti-Infiltrated Polylactide. ACS Applied Materials & Interfaces. 2020;12(39):43501-43512. DOI: 10.1021/acsami.0c13246.
37. Асанова АА, Полонский ВИ, Мануковский НС, Хижняк СВ. Фунгистатическая активность техногенных наночастиц. Российские нанотехнологии. 2018;13(5-6):62-66.
38. Skorb EV, Antonouskaya LI, Belyasova NA, Shchukin DG, et al. Antibacterial activity of thin-film photocatalysts based on metal-modified TiO2 and TiO2:In2O3 nanocomposite. Applied Catalysis B: Environmental. 2008;84(1-2):94-99.
39. Скорб ЕВ, Манько ЮМ, Белясова НА, Свиридов ДВ. Фотоинактивация клеток дрожжей в присутствии диоксида титана. В: Свиридовские чтения. Выпуск 7. Минск: БГУ; 2011. с. 101-106.
Опубликован
2022-02-14
Ключевые слова:
биоразлагаемая упаковка, полимерный материал, биоразрушение, микробиота, водная среда, почва
Как цитировать
Рымовская, М. В., Раткевич, М. В., Гребенчикова, И. А., & Сергиевич, Д. С. (2022). Биологическое разрушение полимерной упаковки в условиях, приближенных к естественным. Журнал Белорусского государственного университета. Экология, 4, 103-113. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/ecology/article/view/4594
Раздел
Промышленная и аграрная экология
