پاورپوینت تجزیه زیستی پلیمرهای مصنوعی پلی اتیلن و پلی پروپایلن

سمینار ارشد درباره تجزیه زیستی پلیمرهای مصنوعی (پلی اتیلن و پلی پروپایلن)

ما تنها یک کره زمین برای زیست داریم و این کره می باید برای صدها و هزارن نسل دیگر زنده و پویا باقی بماند. حذف پویایی و دوباره زایی کره زمین در دراز مدت نابودی نسلهای آتی و در کوتاه مدت فقر و نا امیدی را به همراه می آورد و تعجب اینکه تنها موجودی که می تواند مرگ کره زمین را به همراه آورد و پویایی زندگی آن را به مخاطره اندازد « انسان » اشرف مخلوقات است.

پلاستیک، به عنوان یک نوآوری بشر در قرن بیستم، منشا بسیاری از تحولات مثبت در جهان شده است. در طی 30 سال گذشته، مواد پلاستیکی نقش مهمی را در تغییر شکل زندگی مردم ایفا نموده اند و میزان مصرف آنها در جوامع توسعه یافته و در حال توسعه همچنان در حال افزایش است.
مقدمه

هرآنقدر که تولید انواع مختلف پلاستیک ها و کاربرد آن گسترش پیدا کرد به همان میزان مظلومیت کره خاکی خود را شاهد بوده ایم که به چه سان در طول سالیان دراز، محل دفن میلیاردها تن از محصولات پلاستیکی بوده است.

براستی با بحران پلاستیک های مصرف شده که در محیط زیست رها شده اند و علاوه بر بد منظره کردن طبیعت، آسیب های جبران ناپذیری بر مسیرهای جریان آزاد آب‏ ، صدمه بر حیوانات و آلوده سازی خاک را به همراه دارد چه باید کرد؟

از این رو در این مطالعه، مروری بر تجزیه پلیمرهای مصنوعی (پلاستیک ها) بخصوص از منظر زیستی خواهیم داشت.

مقدمه

پلیمر:
مشتق شده از یک لغت یونانی به معنای قسمت های بسیار ( بسیار =poly و قسمت ها = meros : ماکروملکول های متشکل از ملکول های کوچک (سالارآملی,1383).
پلاستیک :
از واژه یونانی plastikos به معنی قادر به قالب در آمدن در اشکال مختلف مشتق شده است .(Joel, 1995 )
پلیمرهای مصنوعی بت قابلیت ذوب و شکل پذیری تحت دما و فشار پایین
زنجیره های بلند ملکولهای پلیمریک دست ساز بشر (Scott, 1999 ).
تولید جهانی سالانه، 140 میلیون تن پلیمرهای مصنوعی (Shimao, 2001).
تولید 57 میلیون تن ضایعات پلاستیکی در سال در مقیاس جهانی (Kathiresan, 2003; Bollag etal, 2000).
پلاستیک های مورد استفاده در صنایع بسته بندی: پلی اتیلن (PE)، پلی پروپایلن (PP) پلی استایرن (PS)، پلی وینیل کلراید (PVC)، پلی اورتان (PUR) و پلی اتیلن ترفتالات (PET).
تعاریف

پر مصرف ترین پلیمرها در ایران و جهان:

پلی اتیلن، با تولید سالانه، 51 میلیون تن، پر مصرف ترین پلیمر در جهان است. پس از آن، پلی پروپایلن با تولید سالانه 31 میلیون تن و پلی استر (پلی اتیلن ترفتالات) و پلی وینیل کلراید، در جایگاه دوم تا چهارم قرار دارند (سالارآملی، 1383).

ایران با رشد 44 درصدی ظرفیت، بیشترین رشد ظرفیت پلیمرهای اساسی را در منطقه داراست. پس از ایران، کشورهای قطر و عربستان، به ترتیب با 23 و 13 درصد رشد ظرفیت، در مقام دوم و سوم قرار دارند (سالارآملی، 1383).

اما از لحاظ نوع محصول، بیشترین رشد ظرفیت، مربوط به پلی اتیلن ترفتالات، پلی پروپایلن و پلی اتیلن است.

1) تجزیه مکانیکی:
تجزیه مکانیکی میتواند بخاطر کمپرس شدن، تنش و کشش یا نیروهای برشی اتفاق بیفتد.

در مقیاس ماکروسکوپی، خسارات و آسیب ها بطور فوری و ناگهانی قابل مشاهده نیستند (Duval, 2004)، اما در مقیاس مولکولی، تجزیه میتواند شروع شود.
فاکتورهای مکانیکی در طول فرایند تجزیه زیستی غالب نیستند اما خسارات مکانیکی میتواند تجزیه را فعال کند یا سبب تشدید آن شود .(Briassoulis, 2005)
در اغلب نمونه ها، پارامترهای غیر زیستی در سست کردن ساختار پلیمریک شرکت میکنند، و مواد در این راه، متوجه تغییرات ناخواسته ای میشوند (Helbling et al, 2006; Ipekoglu et al, 2007). گاهی اوقات، این پارامترهای غیرزنده یا بعنوان فاکتورهای سینرژیستی یا برای شروع پروسه تجزیه زیستی مفیدند (Jakubowicz et al, 2006). مطالعه نقش و مشارکت شرایط غیر زنده برای تخمین بهتر پایایی مواد پلیمریک ضروری است.

3) راه آنزیمی زوال زیستی توسط میکروارگانیسم ها:
برخی مواد با اینکه بعنوان پلیمرهای سرسخت در نظر گرفته میشوند (مانند پلی اورتان، PVC و پلی آمید)، هدف زوال زیستی قرار میگیرند.( Shah et al, 2008; Szostak-kotawa 2004; Howard, 2002; Shimao, 2001).

آسیب پذیری میکروبی این پلیمرها به بیوسنتز لیپاز، اوره آز، استراز و پروتئاز نسبت داده میشود ( Flemming, 1998; Lugaoskas et al, 2003).
آنزیم های درگیر در زوال زیستی برای شکست پیوندهای خاص و ویژه، نیاز به حضور کوفاکتور دارند (یعنی کاتیونهای موجود در ماتریکس مواد و کوآنزیم های سنتز شده توسط میکروارگانیسم ها) (Pelmont, 2005).

راه های تخمین زوال زیستی:
ارزیابی تغییر شکل های ماکروسکوپیک:
(زبر و نا صاف شدن سطح، ایجاد سوراخ و ترک، تغییر رنگ و توسعه میکروارگانیسم ها روی سطح (Bikiaris et al, 2006; Lugauskas et al, 2003; Kim et al, 2006b; Rosa et al, 2006).
آزمایشات استاندارد شده ای جهت برآورد زوال زیستی توسط کلونیزاسیون میکروارگانیسم ها روی پتری دیش وجود دارد (NF X41-513,ASTM G21-70, ASTM G22-76, ISO 846, ISO 11266; NF x41-514 Krzan et al,2006).

استفاده از تکنیک های آنالیتیکی مکمل برای تصحیح آنالیزها ( میکروسکوپ فوتویونیک (Tchmutin et al, 2004)، میکروسکوپ الکترونی (Preeri et al, 2003, Ki & park, 2001; Peltola et al, 2000; Hakkarainen et al, 2000; Tserki et al, 2006; Marques calvo et al, 2006; Kim et al, 2006b; Zhao et al, 2005 ) و میکروسکوپی پلاریزه (Tsuji et al, 2006). میکروسکوپی اتمیک فورس (atomic force) میتواند برای مشاهده توپولوژی سطح پلیمر استفاده شود (Chanprateep et al, 2006).

در درون سلول، مولکولهای انتقال یافته، از طریق مسیر کاتابولیکی اکسیده میشوند که بسته به توانایی های میکروبی برای رشد در شرایط هوازی یا بیهوازی، منتهی به تولید آدنوزین تری فسفات (ATP) و عناصر تشکیل دهنده ساختار سلولی میشود.
راه های تخمین پدیده جذب:
جذب بطور کلی توسط متدهای تنفس سنجی استاندارد شده برآورد میشود (Krzan et al, ISO 14852)، که شامل اندازه­گیری مصرف اکسیژن یا تصاعد Co2 است (Pagga, 1997). کاهش اکسیژن از طریق کاهش فشار ردیابی میشود (Mossartdier-Nageotte et al, 2006) . شناسایی گازهای متصاعد شده توسط GC به تحقق می انجامد. این تکنیک برای تخمین تصاعد CO2 نیز استفاده میشود اما در بیشتر موارد، FTIR ترجیح داده میشود (Lefaux et al, 2004; Itavaara & Vikman, 1995). کمیت CO2 در یک محلول قلیایی برای تشکیل رسوب بدام می­افتد. هیدروکسید اضافی با یک محلول اسیدی تیتر میشود (Peltola et al, 2000; Calmon et al, 2000).
تنها روش برای اثبات جذب در محیط­های پیچیده استفاده از یک پلیمر برچسب زده شده با رادیوها برای انجام تنفس سنجی CO2 14 است (Rasmussen et al, 2004; Reid et al, 2001). بهرحال، این تست خطرناک و گران نیاز به اتاق آزمایشگاهی ویژه، تجهیزات خاص و تکنیک­های متوالی دارد و بعلاوه، زمان بر است.

مروری اجمالی بر مطالعات انجام شده در زمینه تجزیه زیستی پلی اتیلن و پلی پروپایلن:
بدنبال تحقیقاتی که اخیرا در جهت بررسی زیست تخریب پذیری پلی اتیلن (پلاستیک) با کمک و استفاده از میکروارگانیسم های مختلف صورت گرفته است، سویه های توانمندی شناسایی و معرفی شده اند.

بسیاری از محققین نشان دادند که پلاستیک ساخته شده از مخلوط پلی اتیلن و نشاسته، در خاک تخریب پذیر است، اما این پروسه بی نهایت آهسته پیش میرود (Swift, 1993). تلقیح با میکروارگانیسم، میتواند این پروسه را در خاک تشدید کند.

Gilan etal, 2004)) باکتری Rhodococcus ruber سویه 208C را جداسازی کردند که قادر به مصرف پلی اتیلن به عنوان تنها منبع کربن است. این سویه، پلی­اتیلن را با نرخ 86/0% در هفته تخریب میکند. آبگریزی این سویه، آنرا قادر به تشکیل بیوفیلم متراکم روی سطح پای اتیلن ساخته و در نتیجه، قابلیت آنرا برای تجزیه زیستی بهبود می بخشد.
باکتریها در بیوفیلم بسیار متفاوت از حالت پلانکتونی شان میشوند ( Stoodley etal, 2002) و اغلب یک توالی توسعه یافته تشکیل دهنده ساختارهای چند سلولی پیچیده (میکروکلونی) که توسط شبکه ای از کانالهای آب احاطه میشود را نشان میدهند (Tolker, 2000-Nielson & Molin,).
از آنجا که پلی اتیلن در محلولهای آبی نامحلول است، باکتریهای تولیدکننده بیوفیلم می توانند در تخریب زیستی آن موثرتر باشند. شواهد، اثبات کننده همبستگی بین کمبود کربن و آبگریزی باکتری در تحقیقات گذشته گزارش شده است (Sakharovski etal, 1999).

مشخص شده که سطوح باکتریایی در محیط های فقیر از نظر کربن نسبت به محیط های حاوی کربن آبگریزتر و چسبنده تر میشوند و احتمالا قابلیت دسترسی پایین به منبع کربن در محیط کشت باکتری رودوکوکوس روبر، که حاوی پلی اتیلن بعنوان تنها منبع کربن بود، تعاملات هیدروفوبیک و توسعه بیوفیلم را افزایش و تخریب زیستی پلی اتیلن را بهبود بخشیده است.
توانایی رودوکوکوس روبر برای تشکیل بیوفیلم روی سطوح پلی اتیلن، به آبگریزی سطوح سلولهایش نسبت داده شده است.

Lee etal, 1991 نیز توانایی گونه Phanerochate و استرپتومایسس تخریب کننده لیگنین را در تجزیه ترکیبات پلی اتیلن در فیلم های مخلوط پلی اتیلن/ نشاسته گزارش کردند .
Hadad etal, 2005 باکتری ترموفیلیک borstelensis Brevibacillus سویه 707 را از خاک جداسازی کردند که قادر به مصرف پلی اتیلن منشعب با دانسیته کم، به عنوان تنها منبع کربن و در نتیجه، تجزیه آن بود.
انکوباسیون پلی اتیلن با این باکتری در 30 روز تحت دمای 50 درجه سانتیگراد، وزن ملکولی پلی اتیلن را 11% کاهش داد. به علاوه، این محققین، تاثیر پیش تیمار اکسیداسیون نوری را نیز بر تخریب زیستی پلی اتیلن بررسی کردند و نشان دادند که پلی اتیلنی که قبل از تلقیح با باکتری، تحت اکسیداسیون نوری با U.V واقع شده بود، حداکثر تخریب زیستی را نشان داد که علت آن، تشکیل بقایای کربونیل در طی اکسیداسیون نوری است که براحتی توسط باکتری به مصرف میرسد.