تجزیه میکروبی پلی اتیلن LDPE

تجزیه میکروبی پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE)

تجزیه زیستی با در نظر گرفتن مشارکت عوامل زیستی در سه مرحله انجام می شود: تخریب زیستی، تجزیه زیستی و جذب. با این حال، بسیاری از تکنیک های مورد استفاده توسط محققان در این زمینه برای ارائه شواهدی از مرحله نهایی یعنی جذب کافی نیست. در این مقاله به بحث در مورد مراحل مختلف تجزیه زیستی و چندین تکنیک مورد استفاده در این حوزه پرداخته می شود. اعتبار بخشیدن به مرحله جذب (من جمله مینرالیزاسیون) جنبه مهمی در تضمین تجزیه پذیری واقعی اقلام مصرفی (به ویژه مواد زیست سازگار) است. از آنجایی که LDPE عملآ بی اثر است، برای جداسازی میکروارگانیسم های منحصر به فرد که قادر به استفاده از LDPE هستند تلاش شده است. داده های اخیر نشان داد که تجزیه زیستی زباله های LDPE با سویه های میکروبی انتخاب شده به یک راهکار مناسب تبدیل شده است. در بین عوامل بیولوژیکی، آنزیم های میکروبی یکی از قوی ترین ابزارها برای تجزیه بیولوژیکی LDPE ها محسوب می شوند. تجزیه زیستی بیشتر آنزیم ها در قارچ ها ریشه در باکتری ها دارد. بایستی تجزیه قارچی LDPE را در نظر بگیریم تا بفهمیم چه چیزی برای تجزیه زیستی و مکانیسم های درگیر لازم است. این امر مستلزم درک فعل و انفعالات بین مواد، میکروارگانیسم ها و تغییرات بیوشیمیایی است. مطالعات گسترده ای در حوزه تجزیه زیستی LDPE با هدف غلبه بر مشکلات زیست محیطی مرتبط با زباله های LDPE انجام شده است. این مقاله به بررسی تحقیقات موجود در مورد تجزیه زیستی LDPE و همچنین استفاده از تکنیک های مختلف برای تحلیل فرایند تجزیه در شرایط آزمایشگاهی می پردازد.

کشف فرایند شیمیایی برای پلیمرهای مصنوعی (پلاستیک) توسعه یافته از نفت خام پیشرفتی در علم مواد و شیمی محسوب می شود و راه را برای تولید یکی از مهم ترین گروه موادی که تاکنون تولید شده است هموار می کند. LDPE ابتدا با پلیمریزاسیون فشار بالا اتیلن تهیه شد. با توجه به شکل زیر، چگالی نسبتآ پایین آن از انشعاب نسبی در زنجیره (حدود 2 درصد از اتم های کربن) ناشی می شود.

شکل 1:

اگرچه LDPE به تدریج توسط عوامل اکسید کنندۀ قوی مورد حمله قرار می گیرد و برخی از حلال ها نیز باعث نرم شدن یا باد کردن آن می شوند؛ اما از لحاظ شیمیایی، در دمای اتاق غیرفعال است. حتی ممکن است حتی ممکن است در کوتاه مدت تا دما 95 درجه و بطور پیوسته در دمای 80 درجه سانتیگراد استفاده شود. LDPE یک جامد کریستالی ناقص با درجه تبلور 60-50 درصد است که منجر به خواصی همچون کدر بودن، استحکام کششی، سفتی و مقاومت شیمیایی، انعطاف پذیری حتی در دمای پایین می شود. در جدول زیر برخی از خواص LDPE ارائه شده است.

جدول 1:

رایج ترین LDPE ها عبارتند از: پلی اتیلن با چگالی کم خطی (LLDPE) و پلی اتیلن با چگالی کم شاخه ای (BLDPE). LDPE ها در چگالی، میزان انشعاب و دسترسی به گروه های عامل در سطح متفاوت هستند. همچنین به دلیل خواص چندمنظوره و منحصر به فرد توانسته است کاربرد پلاستیک را تقریبآ در تمام بازارهای صنعتی، کشاورزی یا داخلی تسهیل کند. سالانه حدود 500 تا 1 میلیارد کیسه پلاستیکی در سراسر جهان مصرف می شود. از آنجایی که استفاده از پلاستیک به تدریج رو به افزایش است، مشکل بازیافت این مواد به دلایل اقتصادی و زیست محیطی به موضوعی محوری تبدیل شده است. با استفاده بیش از حد از پلاستیک، ظرفیت های موجود برای دفع زباله های پلاستیکی محدود می شوند و ضرورت استفاده از پلاستیک های زیست تخریب پذیر و به دنبال آن، تجزیه زیستی زباله های پلاستیکی در چند سال اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به ارزیابی اخیر هیئت مرکزی کنترل آلودگی دهلی نو، هند سالانه 8 میلیون تن محصولات پلاستیکی تنها در هند مصرف می کند. در یکی از مطالعات انجام شده روی زباله های پلاستیکی در 60 شهر بزرگ هند نشان داد که تقریبآ 15.340 تن در روز زباله پلاستیکی در این کشور برای حوزه های مختلف همچون بسته بندی مواد غذایی و ساخت ظروف پلاستیکی تولید می شود. همچنین از پلاستیک بعنوان یک پوشش محافظتی روی کاغذ، منسوجات و سایر پلاستیک ها استفاده می شود. با این حال، LDPE پس از دفع به سختی تجزیه می شود که در نتیجه، باعث آلودگی محیط زیست و اختلال در اکوسیستم می شود. با نگهداری یک ورق پلی اتیلن به مدت 12 سال در خاک مرطوب، هیچ تغییری در آن رخ نمی دهد زیرا پلی اتیلن از لحاظ شیمیایی بی اثر است. در مطالعه دیگری، تنها تجزیه جزئی لایه پلی اتیلن پس از انکوباسیون طولانی به مدت 32 سال در زیر خاک مشاهده شد. از طرفی، یک تهدید اکولوژیکی روزافزون برای حیات وحش زمینی و دریایی ایجاد می کند. گزارشاتی وجود دارد مبنی بر اینکه پلی اتیلن باعث انسداد روده ماهی ها، پرندگان و پستانداران دریایی می شود. علاوه براین افزایش ضایعات LDPE، کاهش ظرفیت دفن زباله و زیست تخریب پذیری بسیار کند LDPE در محیط زیست باعث شده است تا مسیر تحقیقات به سمت کاهش میزان زباله تغییر کند.

این مقاله به بررسی نگرانی های روزافزون از LDPE، انواع آن، کاربرد و تجزیه پذیری آن می پردازد. علاوه بر روش های دفع و استانداردهای به کار رفته در ارزیابی تجزیه پلیمر، توسعه فرایند زیست تخریب پذیری در برخی پلیمرهای جدید را نیز بررسی می کند. مباحث ذکر شده در بالا رویکردهای مفهومی متفاوتی را برای تجزیه زیستی LDPE ارائه می دهد که در آن بسیاری از گروه ها تصویر مستقیمی را از تجزیه باکتریایی LDPE بجای تجزیه قارچی ترسیم کرده اند. تجزیه بیولوژیکی LDPE در محیط های زباله جامد نشان می دهد که قارچ های جدا شده پتانسیل بالایی برای تجزیه زیستی در فرایند کمپوست دارند. برای شناسایی ژن های مسئول تولید آنزیم تجزیه کننده و تنظیم آن با استفاده از ابزار مهندسی ژنتیک می توان میکروارگانیسم ها را از لحاظ ژنتیکی اصلاح کرده و از آنها بعنوان یک ابر میکروب برای تجزیه LDPE های مقاوم استفاده کرد. آزمایشات بسیاری برای تعیین میزان تجزیه پلیمرها به تنهایی یا به صورت فیلم های ترکیبی وجود دارد که برخی از آنها میزان دی اکسید کربن آزاد شده در معرض قارچ ها، لجن فعال، کمپوست یا خاک را تعیین می کنند. واضح است که اکثر پلیمرهای مقاوم می توانند در محیط مناسب با غلظت مناسب تا حدودی تجزیه شوند. غربالگری ارگانیسم هایی که LDPE ها را تجزیه می کنند، یا آنزیم ها و سیستم های آنزیمی برای تجزیۀ LDPE ها را تولید می کنند ممکن است در قرن بیست و یکم از لحاظ زیست محیطی سودآور باشند. پیاده سازی یک برنامه غربالگری برای چنین ارگانیسم ها و آنزیم هایی ضروری است اما به استانداردهای جهانی یکنواخت تری برای ارزیابی قابلیت تجزیه زیستی آنها نیاز است.