1. Введение
Попытки производства экологически разлагаемых, дешевых, пластиковых материалов из полиолефинов относятся ко второй половине 20-го века. Их потенциальная разлагаемость и конечная биоразлагаемость начали рассматриваться в начале 1970-х годов, как особые характеристики для применения в упаковочном и сельскохозяйственном сегментах рынка.
Устойчивость полиэтилена к биологическому воздействию связана с его гидрофобностью, водоотталкивающими свойствами, высокой молекулярной массой и отсутствием функциональных групп, распознаваемых ферментными системами микроорганизмов. Все эти свойства ограничивают области применения, в которых биоразложение является желательным атрибутом. Основные стратегии для облегчения дезинтеграции полиэтилена и последующей биодеградации, были сосредоточены на прямом включении карбонильных групп в основу или на их образовании под действием прооксидантов.
К продеградантам относятся такие добавки, как полиненасыщенные соединения, ионы переходных металлов и комплексы металлов, такие как дитиокарбаматы, которые делают полиэтилен и полиолефины в целом восприимчивыми к гидропероксидации. Эти функциональные группы действуют как инициаторы термического и фотоокисления углеводородных полимерных цепей. В результате этих абиотических процессов деградации образуются функциональные макромолекулы, которые термически и/или фотохимически многократно расщепляются до низкомолекулярных фрагментов, особенно в присутствии ионов переходных металлов. Эти низкомолекулярные оксигенированные продукты включают алифатические карбоновые кислоты, спирты, альдегиды и кетоны.
Неоднократно демонстрировалось и сообщалось, что термическая и/или фотолитическая преабиотическая обработка представляет собой основной путь, способствующий окончательному биоразложению как полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), так и ПЭНП, содержащего прооксидантные добавки. Это показано на примере мониторинга начального изменения молекулярной массы и других структурных параметров (прочность на разрыв, степень кристалличности, спектроскопические характеристики). Затем наблюдается биодеградация, когда деградированные полимеры подвергаются воздействию биотической среды.
Кроме того, необходимую степень макромолекулярного распада для биоразложения и микробного усвоения полиэтилена можно определить, наблюдая за биоразложением более низкомолекулярных углеводородных молекул. Линейные парацепи с молекулярной массой менее 500 или н-алканы вплоть до тетратетраконтана (C44H90) могут в значительной степени использоваться микроорганизмами в качестве источника углерода. Совсем недавно сообщалось о биодеградации необработанного полиэтилена высокой плотности с молекулярной массой до 28 000 изолятом Peni- cillium simplicissimum.
Существует множество других предыдущих исследований, направленных на оценку биоразложения образцов ПЭВД, содержащих прооксиданты и природные филлеры, которые показали лишь ограниченное и медленное преобразование в диоксид углерода. Скорость минерализации, полученная в ходе долгосрочных экспериментов по биоразложению как облученных УФ-лучами образцов, так и образцов ПЭВД без предварительной обработки и добавок в природных почвах, указывает на более чем 100 лет для окончательной минерализации полиэтилена.
2. Материалы и методы
2.1.Материалы для испытаний
Неразложившиеся и термически фрагментированные (Mw 6,72 кД) (разработанный образец Q-LDPE) образцы полиэтилена низкой плотности (LDPE) пленки, содержащие полностью разлагаемые пластиковые добавки (TDPATM) про-окислители, были поставлены компанией EPI Inc. (Ванкувер, Канада).
Следующие алифатические углеводороды с низкой молярной массой также использовались в качестве эталонных материалов в экспериментах по биоразложению: докозан [C22H46 (DOC)-Merck, Германия], гексаметилтетракозан [C30H62, Squa- lane, (SQUA)-BDH, Великобритания] и a, o-докозандиовая кислота [C22H42O4, (DAD), приготовленная на химическом факультете Пизанского университета]. Целлюлоза (Sigma Cell 100) и фильтровальная бумага (Whatman 50) также использовались в качестве положительных контролей в экспериментах по респирометрической биодеградации.
2.2.Респирометрические испытания на биоразложение
Испытания на биоразложение проводились в цилиндрических стеклянных сосудах (колбах Биометра) (емкостью 500 или 1000 мл), содержащих многослойный субстрат, в который были помещены дестилированные количества лесной песчаной почвы (10−15 г) или зрелого ком-поста (5 г).
Образцы, просеянные на 0,6 мм, смешанные с 20−25 г перлита и дополненные 25 мл 0,1% раствора (NH4)2HPO4, были помещены между двумя слоями 10 г перлита, смоченного 30 мл дистиллированной воды (рис. 1).
Роль перлита, химически инертного, терморасширяющегося силиката алюминия природного происхождения, заключается в уменьшении количества почвы и, следовательно, выделения углекислого газа из заготовок. Перлит широко используется в садоводстве в качестве компонента беспочвенных смесей для выращивания, где он обеспечивает аэрацию и оптимальные условия влажности для роста растений. Соответственно, перлит использовался для обеспечения удовлетворительных условий инкубации, в то время как образцы почвы или компоста использовались в основном в качестве микробного инокулята.
Такое расположение гарантирует более благоприятное и надежное соотношение, что приводит к повышению точности испытаний, особенно когда ожидается ограниченное выделение углекислого газа из испытуемых образцов.
Полимерные образцы, эталонные алифатические углеводороды и положительные контроли, подлежащие тестированию, были помещены в средний слой при концентрации 35−70 мг/г почвы и 70 мг/г зрелого компоста. Сосуды хранились в темноте и инкубировались при комнатной температуре в случае испытаний на захоронение в почве и при 55 ◦C, когда в качестве инкубационной среды использовался зрелый компост.
Рис. 1.Биометр flask для симулированных испытаний на биоразложение почвы и зрелого компоста
Для улавливания CO2, выделяющегося из образцов и заготовок, каждый испытательный сосуд был оснащен стаканом, содержащим 40−50 мл 0,05 N раствора KOH, который заменялся каждые 3−14 дней и обратно титровался 0,1 N HCl.
Степень биоразложения каждого испытуемого материала рассчитывалась как процент (с поправкой на эндогенные выбросы инокулята — пустые задачи) от общего теоретического производства CO2, рассчитанного на основе определенного содержания углерода в образцах. Результаты были воспроизводимы в пределах 2%-ной достоверности согласно тестам, проведенным в трех экземплярах.
2.3. Испытание на термическую деградацию
Неразложившийся раздутый ПЭВД-ТДПА, предоставленный EPI, был подвергнут термоокислительной деградационной обработке в печи при температуре, сравнимой с температурой, возникающей в процессе полномасштабного компостирования. Из исходного материала была вырезана серия из 25 образцов (18 10 см). Образцы хранились при температуре 55 ◦C на воздухе и извлекались через определенные промежутки времени. Изменение веса каждого образцов, а также механическую прочность оценивали с помощью прибора Instron 5565. Механический анализ проводился в соответствии с методом ASTM D 882. Результаты гравиметрического анализа и оценки механической прочности были усреднены по 5 образцам.
Экстрагируемые органическими растворителями фракции из исходного и деградированного образцов также оценивались путем двух последовательных экстракций кипящим ацетоном и дихлорметаном, соответственно.
2.4. Аналитическая характеристика
2.4.1. Элементный анализ
Содержание углерода в каждом тестовом образце было определено методом элементного анализа с помощью элементного анализатора Carlo Erba модель 1106.
2.4.2. Выделение и характеристика полимеров
Термически раздробленный порошок образца Q-LDPE (1,024 г) после измельчения в жидком азоте помещали в круглодонную колбу и обрабатывали ацетоном (50 мл) при перемешивании в течение 12 ч. После испарения растворителя при пониженном давлении собирали 110 мг (10,7%) обозначали как образец QAC.
Экстракцию ацетоном и ди-хлорметаном проводили в масках Кумагавы на неперемолотых образцах ПЭВД, полученных в результате термической деградации.
2.4.3. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
СЭМ-анализ в сочетании с элементным микроанализом поверхности полимерных образцов, полученных в результате экспериментов по деградации, проводился с использованием прибора Jeol LSM5600LV, а полученные изображения сравнивались с изображениями, полученными на исходных необработанных образцах.
2.4.4. Спектроскопическая характеристика
Исходные и деградированные полимерные материалы, а также соответствующие экстрагируемые фракции были охарактеризованы методом ЯМР 1H и ИК-Фурье с использованием приборов Varian Gemini 200 МГц и Jasco FT-IR модель 410, соответственно. Карбонильный индекс и индекс двойной связи рассчитывали на основе относительной интенсивности карбонильной полосы при 1715 см-1 и полосы двойной связи при 1650 см-1 к интенсивности полосы метиленовых ножниц при 1465 см-1, соответственно.
2.4.5. Хроматографический анализ с исключением размеров (SEC)
Молекулярную массу и полидисперсность фракции, выделенной растворителем из образцов, подвергнутых деградации ПЭВД-ТДПА, определяли методом SEC с помощью насоса ВЭЖХ Jasco PU-1580, оснащенного двумя колонками Plgel mixed-C (Polymer Laboratories, Великобритания), соединенными последовательно, и детектором показателя преломления Jasco 830RI. Элюирование образца проводили THF при скорости потока 1 мл-1 fl.
Для относительной калибровки использовались монодисперсные образцы поли (стирола).
3. Обсуждение результатов
3.1. Респирометрические испытания на биоразложение при заглублении в почву
3.1.1. Первый эксперимент
В первом респирометрическом испытании по заглублению в почву потенциальное биоразложение термически окисленного фрагментированного образца Q-LDPE оценивалось при двух различных соотношениях полимер/почва, соответствующих приблизительно 70 мг/г почвы (Q1) и 35 мг/г почвы (Q2), в сравнении с образцом фильтровальной бумаги, используемой в качестве положительного контроля. Суммарные выбросы CO2, обнаруженные в тестовых и холостых образцах в течение 80 недель инкубации, представлены на (рис. 2).
Эффективность условий испытания была продемонстрирована высокой воспроизводимостью выделений CO2 из холостых проб. Условия инкубации также оказались удовлетворительными с точки зрения условий роста почвенных микроорганизмов, о чем свидетельствует высокий уровень выделения CO2 из положительного контроля (фильтровальной бумаги) после 80 дней инкубации. В течение того же периода времени значительно высокое производство CO2 было зарегистрировано также для тестовых образцов ПЭВД-ТДПА, в частности, в случае Q1, который содержал наибольшее количество полимера.
Процессы минерализации образцов Q-ПЭВД и фильтровальной бумаги представлены на (рис. 3). Как видно, биодеградация синтетического полимера началась без явной лаг-фазы, после чего плато, соответствующее примерно 4% минерализации, было достигнуто через 30 дней инкубации. На 40-й день каждую культуру, инокулированную в почву, перемешивали, что способствовало дальнейшему небольшому, но значительному увеличению скорости минерализации. Однако этот показатель все еще оставался очень низким по сравнению со скоростью и степенью биодеградации контрольной бумаги за тот же период времени.
Рис. 2. Кумулятивная эмиссия CO2 из бумаги и термически фрагментированного Q-ПЭНП при двух различных концентрациях и холостых образцов в респирометрическом испытании на заглубление в почву.
Рис. 3. Показатели минерализации термически фрагментированных образцов Q-ПЭВП и фильтровальной бумаги при испытании на захоронение в почве.
В это время инкубации небольшие фрагменты образца ПЭВД-ТДПА из Q1 были собраны и охарактеризованы с помощью SEM-анализа. Микроскопическая характеристика четко показала микробную колонизацию поверхности пленки, обусловленную микроорганизмами, такими как грибы и актиномицеты. Присутствие бактериальных клеток не наблюдалось (рис. 4).
Примерно через 5 месяцев инкубации, после длительного застоя минерализации, образец ПЭВД (Q1) и одну пустую (B1) реплицированную культуру снова независимо перемешивали и добавляли по 40 мл дистиллированной воды. В то же время, вторая серия реплик (Q-LDPE run Q2, Blank B2) также была перемешана, смочена 40 мл дистиллированной воды и повторно инокулирована 5 г лесной почвы. Затем все культуры снова инкубировали при комнатной температуре.
Вышеуказанные обработки и модификации культур проводились для того, чтобы установить и сравнить влияние простого перемешивания, а также добавления свежего микробного инокулята на потенциальную биодеградацию тестовых образцов в почвенной среде.
Было отмечено, что после обработки культуры и повторного заселения произошло дальнейшее экспоненциальное увеличение скорости биодеградации образцов Q-ПЭВД (рис. 3).
Более того, были обнаружены значительные различия в общей степени деградации, а также в скорости минерализации в зависимости от типа культуральной обработки и количества полимерного образца, загруженного в колбу биометра. В частности, репликат Q2, в который добавляли воду и свежий почвенный инокулят, достиг наибольшей степени биоразложения (63,0%) после 85 недель инкубации, тогда как меньшее значение (49,0%) было достигнуто репликатом Q1, в который не добавляли почвенный инокулят и который содержал наибольшее начальное количество полимера. Положительный наклон обеих кривых биодеградации указывает на дальнейшее увеличение степени биодеградации (рис. 3).
ИК-Фурье спектры исходного образца Q-ПЭНП и небольших фрагментов, извлеченных через 6 и 62 недели после обработки.
Рис. 4. СЭМ-микрофотографии (магниевая обработка 1400~) термически фрагментированного образца Q-ПЭВП, извлеченного из почвы после 42 дней инкубации: (a) оригинал, (b) извлеченный из почвы.
Инкубации из Q1 в присутствии почвенных микроорганизмов представлены на (рис. 5).
В исходных образцах наблюдаются типичные карбонильные полосы поглощения, что свидетельствует об окислительной функционализации матрицы LDPE-TDPA, как следствие термоокислительной деградации.
Однако в извлеченных из почвы образцах наблюдалось значительное снижение ИК-поглощения между 1710 и 1740 см-1, что, скорее всего, является следствием предварительной ассимиляции окисленных полимерных цепей почвенными микроорганизмами, как предполагалось ранее. Альбертссон и соавторысообщили, что абиотически состаренный чистый ПЭВД, ПЭВД/крахмал и ПЭВД-добавки, способствующие деградации, характеризовались наличием нескольких продуктов деградации, таких как моно и дикарбоновые кислоты и кетокислоты. Они почти полностью исчезли после инкубации полимерных образцов в присутствии Arthrobacter paraffineus в результате ассимиляции продуктов деградации бактериальным штаммом.
Рис. 5. ИК-Фурье спектры термически фрагментированного Q-ПЭВП исходного образца и извлеченного из теста на захоронение в почве через 42 и 490 дней инкубации.
Противоположная тенденция наблюдалась для количества двойных связей. Также в этой работе небольшое, но значительное уменьшение количества кислорода в поверхности образца Q-ПЭВП с 20,6 в исходном образце до 16,9 мас.% в случае образца, инкубированного в почве, было зафиксировано микроанализом SEM.
Напротив, было зафиксировано значительное увеличение ненасыщенности углерода углеродом, что было выявлено по увеличению индекса двойной связи с 0,55 в спектре исходного образца до 0,88 в спектре, зафиксированном после 62 недель инкубации. Это можно объяснить биотической дегидрогенизацией. Следовательно, вероятно, что макромолекулярное расщепление термоокисленного ПЭВД-ТДПА опосредовано как абиотическим окислением, так и биотическим, ферментативным расщеплением.
Более того, резкое изменение в области ИК-спектра между 1300 и 950 см. наблюдалось с увеличением времени инкубации, что, вероятно, связано с более низкомолекулярными фрагментами.
После 70 недель инкубации образец Q-LDPE полностью исчез, и никакие значительные фрагменты исходного образца не могли быть обнаружены и механически извлечены из почвенной матрицы.
3.1.2. Второй эксперимент
Второй респирометрический эксперимент по заглублению в почву был разработан для того, чтобы сравнить профили биодеградации образцов, разлагающих ПЭВД-ТДПА, с теми, которые происходят в алифатических углеводородах с низкой молярной массой, используемых в качестве моделей, в присутствии почвенных микроорганизмов. Линейные (докозан, C22) и разветвленные (гексаметил-тетракозан, C30) алканы, а также окисленная (a, o доко-сандиевая кислота, C22) были выбраны в качестве эталонных материалов, представляющих промежуточные продукты, образующиеся при термической деградации образцов ЭПИ-ПЭВД.
Экстрагируемая ацетоном фракция (QAC) из образца Q-ПЭВД, подвергнутого термической деструкции, и остаток от экстракции растворителем (QRE) также были протестированы в этом респирометрическом эксперименте по захоронению почвы. Кумулятивные выбросы CO2 от тестовых и холостых образцов в течение 520 дней инкубации представлены на (рис. 6).
Значительное микробное усвоение образца Q-LDPE, как видно из различий в выбросах CO2 из экспериментального и холостого образцов, началось без явной лаг-фазы в этом эксперименте по захоронению почвы. Такое же поведение наблюдалось в случае ацетоновой фракции (QAC), выделенной из образца порошка Q-ПЭВД.
Ощутимая микробная ассимиляция также наблюдалась для образцов н-алкана (C22) докозана (DOC) и целлюлозы, в то время как длительная задержка в минерализации была зафиксирована в случае образцов конечного дикарбоксилированного докозана (DAD) и разветвленного (C30) (SQUA).
Минерализация термически фрагментированного образца Q-ПЭВД достигла первого плато, соответствующего приблизительно 6% биоразложению после 80 дней инкубации. Ацетоновая фракция (QAC), выделенная из порошкового образца Q-ПЭНП, легко подвергалась биоразложению, о чем свидетельствует довольно высокая скорость и степень минерализации (50%), происходящая через 120 дней инкубации, с плато около 70% минерализации через 400 дней. Напротив, остаток после двойной экстракции органическими растворителями (образец QRE) подвергся чрезвычайно низкой минерализации в течение того же времени инкубации (рис. 7).
Спектры ЯМР 1Н образца QAC показали наличие сигналов, обусловленных протонами на углеродах в a-положении и непосредственно связанными с карбоксильной группой (рис. 8). И наоборот, в случае образца QRE, спектр ЯМР 1Н которого близок к спектру типичного линейного полиэтилена (рис. 9), не наблюдалось никаких значительных сигналов, приписываемых связанным с кислородом протонам. Это последнее наблюдение может объяснить очень ограниченную биодеградацию QRE, если таковая вообще имела место, в течение 39 недель инкубации в почвенной матрице.
Рис. 6. Кумулятивные выбросы CO2 Q-ПЭВД, остатка до экстракции растворителем (QRE), ацетонового экстракта (QAC) образца Q-ПЭВД и эталонных алифатических углеводородов (докозана DOC, a, o-докозандионовой кислоты DAD и сквалана SQUA) в тесте на захоронение в почве.
Рис. 7. Показатели минерализации Q-ПЭВП, остатка до экстракции растворителем (QRE) и ацетонового экстракта (QAC) образца Q-ПЭВП при испытании на заглубление в почву.
Как и в случае первого эксперимента по заглублению в почву, после 5 месяцев инкубации каждую культуру перемешивали и увлажняли. Реакцией, как и раньше, была новая экспоненциальная фаза в минерализации термически обработанного образца Q-LDPE. Она достигла 46,2% минерализации после 74 недель инкубации и сохранила положительную тенденцию (рис. 7).
Удивительно, но аналогичная обработка образца QRE привела к аналогичной экспоненциальной фазе минерализации даже после длительного застоя, во время которого не происходило заметного биоразложения. QRE достиг степени минерализации приблизительно 34%, продолжая демонстрировать довольно положительный наклон кривой биодеградации после 74 недель инкубации (рис. 7).
Высокая степень минерализации, как и ожидалось, была достигнута в случае углеводородов с низкой молярной массой (56−70%) и целлюлозы (85%), тем самым подтверждая эффективность условий инкубации, использованных в процедуре тестирования. В частности, большая склонность к ассимиляции почвенными микроорганизмами была зарегистрирована в случае н-алкана (C22) докозана, в то время как немного меньшая степень минерализации, 57,7 и 56,1%, была достигнута образцами термически дикарбоксилированного докозана (DAD) и отрубного сквалана (C30), соответственно.
Полученные результаты, в сравнении с результатами, полученными в испытаниях на заглубление в почву, проведенных на образце Q-ПЭВД, не подвергнутом экстракции растворителем, указывают на то, что про-оксидантные добавки в TDPA модулируют микробную атаку обычного ПЭВД.
3.2. Респирометрический аэробный тест в среде инкубации зрелого компоста
Поведение биоразложения термически обработанного образца Q-ПЭВД было также определено в респирометрическом тесте в присутствии зрелого компоста в качестве инкубационной среды. Культуры поддерживались при температуре 55 ◦C в течение недели для имитации условий полномасштабного компостирования. В ходе этого испытания уровень минерализации образца Q-LDPE достиг плато через 30 дней, что указывает на биоразложение приблизительно на 7%. Впоследствии он оставался постоянным до 180 дней инкубации, таким образом, регистрируя поведение, сравнимое с тем, которое наблюдалось ранее в испытаниях на захоронение в почве (рис. 10).
Термофильные условия, применяемые в течение первого периода в испытании на биоразложение зрелого компоста, по-видимому, не увеличивают значительно скорость минерализации термически разлагаемого Q-ПЭНП.
Рис. 8. Спектры ЯМР 1Н КК, экстрагированного ацетоном из термически фрагментированного образца Q-ПЭВП.
Рис. 9. Спектры ЯМР 1Н остатка до экстракции растворителем (образец QRE) термически фрагментированного образца Q-ПЭВД.
Аналогично тому, как это происходило в респирометрических тестах захоронения почвы, вторая, более выраженная, экспозиционная фаза в процессе биодеградации полимерного образца имела место после повторного заселения культуры зрелым компостом, смешанным со свежей лесной почвой, проведенного после 169 дней инкубации. Таким образом, степень минерализации достигла 27,8% после 426 дней инкубации с примечательным положительным наклоном кривой биодеградации (рис. 10).
Рис. 10. Показатели минерализации термически фрагментированного образца Q-ПЭВП в среде инкубации зрелого компоста.
3.3. Испытание на термическую деструкцию
Не подвергавшийся воздействию ПЭВД-ТДПА, предоставленный EPI, подвергался термической деструкции на воздухе в печи при температуре 55 ◦C в течение 44 дней. В течение всего испытания оценивалось изменение веса, а также экстрагируемая фракция органического растворителя и механические свойства образцов ПЭВД.
Изменения веса образцов ПЭВД пленки, зарегистрированные во время обработки при 55◦ C, представлены на (рис. 11).
Значительное увеличение первоначального веса образца было зафиксировано через 11 дней, что, скорее всего, связано с поглощением кислорода полимерной матрицей под воздействием прооксидантной добавки (рис. 11).
Экстрагируемая растворителем фракция также увеличивалась через несколько дней после термической обработки, достигая довольно высокого значения (26%) после 20 дней инкубации (рис. 11), что указывает на окислительную деградацию молекулярной массы, последовательное расщепление полимерной цепи.
В случае механического анализа было зарегистрировано первоначальное увеличение прочности, за которым после 11 дней инкубации последовало быстрое снижение целостности пленки в результате фрагментации полимерной цепи (рис. 12).
Первоначальное увеличение прочности при разрыве сопровождалось аналогичным поведением деформационных свойств (данные не показаны). Такое поведение можно условно объяснить своего рода эффектом пластификации, оказываемым низкомолекулярными фракциями, образующимися на первой стадии термоокислительной деструкции полимерной матрицы.
Рис. 11. Увеличение сухого веса и экстрагируемой растворителем фракции образцов ПЭВД, подвергнутых испытанию на термическую деструкцию.
Что свидетельствует первоначальное увеличение веса образца в течение того же периода времени. Сшивание может также происходить через нестабильные перекисные мостики.
Эти результаты показывают, что умеренная термическая обработка, подобная той, которая происходит в полномасштабном процессе компостирования, способна вызвать значительную деградацию полимерной матрицы ПЭВД-ТДПА.
Более того, принимая во внимание высокую склонность к биоразложению в почве, экстрагируемой растворителем фракции образца Q-LDPE, зарегистрированную в испытании на захоронение в почве, можно сделать вывод, что значительное количество (25% или более) полимера LDPE-TDPA может быть легко и эффективно минерализовано в процессе компостирования. Эта гипотеза подтверждается также относительно низкой молекулярной массой (Mw=1,5 кД) ацетоновой фракции ПЭВД- ТДПА после 15 дней термической аэробной обработки, как определено с помощью анализа SEC.
Рис. 12. Изменение прочности образцов ПЭВД, полученных после термической обработки.
Образцы ПЭВД, подвергнутые термической обработке при 55 ◦C в течение 0, 22 и 44 дней, соответствующие ацетоновые экстракты и остатки после экстракции были также исследованы на предмет их потенциальной биодеградации в ходе испытания на захоронение в почву, проведенного с использованием процедуры flask биометра.
Предварительные результаты, по-видимому, подтверждают предыдущие результаты, зарегистрированные в респирометрических испытаниях на захоронение в почве, проведенных на термически фрагментированных образцах Q-ПЭВП.
Заметное различие (около 110 мг) в суммарном выделении CO2 из заготовок и тестовой пробирки, содержащей экстракт тузлука образца ПЭВД, подвергнутого окислительной термической обработке в течение 44 дней (LDPE T44 AC), было зарегистрировано за относительно короткое время (74 дня) (рис. 13).
Рис. 13. Кумулятивные выбросы CO2 ацетонового экстракта образца ПЭВД, подвергнутого окислительной термической обработке в течение 44 дней (ПЭВД T44 AC), целых образцов ПЭВД film, собранных после 22 (ПЭВД T22) и 44 (ПЭВД T44) дней термической обработки, остатков до экстракции (ПЭВД T44 RE), исходного ПЭВД film (ПЭВД T0) и пустого образца при испытании на заглубление в почву.
Значительно более высокие чистые выбросы CO2 (50−60 мг), наблюдается также в случае всех образцов ПЭВД пленки, собранных после 22 (ПЭВД T22) и 44 (ПЭВД T44) дней деградационной обработки. Соответствующие реци- дуенты (ПЭВД T44 RE) после экстракции и исходный ПЭВД (ПЭВД T0) продемонстрировали лишь незначительные различия в общем производстве углекислого газа из заготовки в течение того же периода времени (рис. 13).
4. Резюме значимых результатов
Окисленные образцы ПЭВД-ТДПА подвергаются значительной биодеградации (50−60% за счет выделения углекислого газа) в течение 18 месяцев под воздействием почвенных микроорганизмов в закрытых респирометрических сосудах (биометр). В случае термически разложившегося образца Q-LDPE минерализация не имеет лаг-фазы, но имеет тенденцию к плато на уровне 4−7% минерализации, достигаемой примерно через 6 недель инкубации. Интересно, что после длительного застоя в состоянии покоя при комнатной температуре, существенный скачок активности биоразложения был неоднократно обнаружен в различных тестах биоразложения почвенного захоронения и зрелого компоста, после перемешивания, увлажнения и повторного заселения смесей для разложения.
Экстракция исходных термически обработанных образцов ПЭВД-ТДПА кипящим растворителем (ацетоном) приводит к образованию экстрагируемой фракции и остатка, устойчивого к экстракции. Экстрагируемая фракция (QAC) минерализуется до уровня 50% за 80 дней инкубации в респирометрических тестах на захоронение в почве, тогда как неэкстрагируемая фракция, по-видимому, устойчива к биоразложению в течение 10 месяцев инкубации. Впоследствии было обнаружено экспоненциальное увеличение минерализации.
Эти результаты, наряду с показателями биодеградации, зарегистрированными для образца Q-LDPE, не подвергнутого экстракции растворителем, убедительно подтверждают гипотезу о том, что биодеградация образца термофрагментируемого полиэтилена стимулируется и модулируется присутствием рецептурных добавок в TDPA. Более того, вклад ферментативной атаки в продолжение макромолекулярного расщепления термически окисленной полиэтиленовой матрицы подтверждается увеличением ненасыщенности, зарегистрированным в образцах Q-LDPE, помещенных в биотическую среду.
Температура инкубации и среда воздействия образцов Q-ПЭВД, по-видимому, влияют на окисление и биодеградацию. Это видно по эффективности окисления до низкой молекулярной массы при температуре
55 ◦C, однако в зрелом компосте наблюдается ограниченное биоразложение по сравнению с почвой. Это может быть связано с требованиями микробиальной популяции для биодеградации окисленных фрагментов. Зрелый компост и почва существенно различаются в этом аспекте.
Предварительное испытание термического разложения при 55 ◦C в аэробных условиях было проведено на термически обработанном компосте.
Не подвергавшийся воздействию ПЭВД-ТДПА, дал значительную фрагментацию полимера, с потерей механических свойств через 11 дней. Экстракция кипящими растворителями деградировавшего образца дала около 25% по весу быстро разлагающейся экстрагируемой фракции. Это указывает на то, что низкомолекулярные окисленные фрагменты ПЭВД быстро поддаются биоразложению.
5. Заключение
На данном этапе продолжающихся исследований ясно, что составы ПЭВД-ТДПА являются эффективными в стимулировании окисления и последующего биоразложения полиэтилена в почвенной среде. Остается ответить на несколько вопросов, включая контроль скорости и полноты биодеградации, а также суммарное время окисления и биодеградации в различных условиях окружающей среды.
