Исследование кинетики биологического разложения биопластика, полученного из крахмала тапиоки

Введение. Исследование биологически разлагаемых пластиков, полученных из возобновляемого сырья, является актуальной проблемой современной науки.

Цель. Целью представленная работы является исследование проблемы замены синтетических полимеров природными, а именно изучению степени биоразлагаемости пластика из возобновляемого крахмалсодержащего сырья в лабораторных и полевых условиях.

Материалы и методы. Биоразлагаемый пластик был исследован методом ИК-спектроскопии, что позволило провести приблизительную оценку его химического состава и предположить, что он является композитом, содержащим в составе полимолочную кислоту (PLA). Так же в ходе работы нами были исследованы физико-химические характеристики биоразлагаемого пластика (биопласта), производимого компанией Siam Modified Starches (Тайланд) из крахмала тапиоки. В частности, разрушающее напряжение (прочность на разрыв) и относительное удлинение при разрыве определены при помощи разрывной машине РМ-50. Сделаны выводы о возможности применения этого биопласта в качестве заменителей традиционных полимеров – полиэтилена и полипропилена.  

Результаты. Проведено комплексное исследование биоразлагаемости изделий из представленных материалов. Установлено, что они полностью биодеградируют в условиях компостирования в течение 2 месяцев. Определена скорость биодеградации в лабораторном грунте.

Выводы. Таким образом, нами представлены данные о степени разложения природного биопластика в опытных и полевых условиях, в результате чего было сгенерировано кинетическое уравнение биоразложения исследуемого биопластика в природных средах. В представленной работе положено начало решению проблемы замены синтетических пластиков на природные и производству упаковки на основе крахмалсодержащего сырья. Выполнена видеофиксация степени деградации новых полимерных изделий в воде и при компостировании. Установлено, что в лабораторных условиях биопластик разлагается медленно, со скоростью 0,32-0,38 % в сутки. В полевых условиях полная биодеградация полимера происходит за 2 месяца.

1. Базунова, М. В., Бакирова, Э. Р., Базунова, А. А., Кулиш, Е. И., & Захаров, В. П. (2018). Изучение биодеструкции биоразлагаемых полимерных композитов на основе первичных и вторичных полиолефинов и природных наполнителей растительного происхождения. Вестник Технологического университета, 21(1), 43-46.

2. Кирш, И. А., Романова, В. А., Тверитникова, И. С., Безнаева, О. В., Банникова, О. А., & Шмакова, Н. С. (2020). Исследования влияния ультразвуковой обработки на расплавы полимерных композиций на основе полиэтилена и модифицированного крахмала. Химическая промышленность сегодня, 1, 62-67.

3. Корнилов, К. Н., & Роева, Н. Н. (2019). Определение содержания наночастиц пластика в питьевой воде и жидких пищевых продуктах. Health, Food & Biotechnology, 1(2). https://doi.org/10.36107/hfb.2019.i2.s242

4. Корнилов, К. Н., & Роева, Н. Н. (2020). Обнаружение частиц микропластика в растительных маслах. Health, Food & Biotechnology, 2(1). https://doi.org/10.36107/hfb.2020.i1.s315

5. Корнилов, К. Н., & Роева, Н. Н. (2021). Определение выделения частиц микропластика чайными пакетиками при заваривании. Health, Food & Biotechnology, 3(3). https://doi.org/10.36107/hfb.2021.i3.s113

6. Корнилов, К. Н., Роева, Н. Н., & Воронич, С. С. (2020). Экологическая оценка качества модифицированных крахмалов методом динамического лазерного светорассеяния. Экологические системы и приборы, 7, 31-40. https://doi.org/10.25791/esip.07.2020.1169

7. Корнилов, К. Н., & Алкилани, Х. (2021). Исследование физико-химических свойств новых биоразлагаемых полимеров на основе крахмала тапиоки. В Лучшие студенческие исследования, (с.7-11).

8. Пехташева, Е. Л., Неверов, А. Н., Заиков, Г. Е., Софьина, С. Ю., & Темникова, Н. Е. (2012). Методы оценки биостойкости материалов. Вестник Казанского технологического университета, 8, 163-166.

9. Пехташева, Е. Л., Неверов, А. Н., Заиков, Г. Е., Софьина, С. Ю., & Темникова, Н. Е. (2012). Способы защиты материалов от биоповреждений. Вестник Казанского технологического университета, 8, 167-172.

10. Роговина, С. З. (2016). Биоразлагаемые полимерные композиции на основе синтетических и природных полимеров различных классов. Высокомолекулярные соединения. Серия С. 58(1), 68-80. https://doi.org/10.7868/S2308114716010106

11. Умирова, Г. А., Тураев, Х. Х., Корнилов, К. Н., & Эрмуратова, Н. A. (2023). Исследование сорбции металлов ковалентно иммобилизованными полиамфолитами на основе аминокислот. Известия вузов. Химия и химическая технология, 66(5), 41-51. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20236605.6728

12. Фомин, В. А. (2001). Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования. Пластические массы, 2, 42.

13. Эрмуратова, Н. A., Тураев, Х. X., Корнилов, К. Н., & Роева, Н. Н. (2022). Синтез и изучение комплексообразующего сорбента на основе карбамида, формальдегида и аминоуксусной кислоты при помощи ИК-спектроскопии и сканирующего электронного микроскопа. Известия вузов. Химия и химическая технология, 65(9), 31-38. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226509.6626

14. Accinelli, C., Saccà, M. L., Mencarelli, M., & Vicari, A. (2012). Deterioration of bioplastic carrier bags in the environment and assessment of a new recycling alternative. Chemosphere, 89, 136–143. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.05.028

15. Ahsan, W. A., Hussain, A., Lin, C., & Nguyen, M. K. (2023). Biodegradation of different types of bioplastics through composting—A recent trend in green recycling. Catalysts, 13, 294. https://doi.org/10.3390/catal13020294

16. Al-Jaibachi, R., Cuthbert, R. N., & Callaghan, А. (2018). Up and away: ontogenic transference as a pathway for aerial dispersal of microplastics. Biology Letters, 14(4), 1-4. https://doi.org/10.1098/rsbl.2018.0479

17. Ammala, A. (2011). An overview of degradable and biodegradable polyolefins. Progress in Polymer Science, 36(8), 1015–1043. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2010.12.002.

18. Andrady, A. L., & Neal, M. A. (2009). Applications and societal benefits of plastics. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 364(1526), 1977–1984. https://doi.org/10.1098/rstb.2008.0304.

19. Astner, A. F., Gillmore, A. B., Yingxue Yu., & Flury, M. (2023). Formation, behavior, properties and impact of micro- and nanoplastics on agricultural soil ecosystems (A Review). NanoImpact, 31, 100474. https://doi.org/10.1016/j.impact.2023.100474

20. Baca-Bocanegra, B., Martínez-Lapuente, L., Nogales-Bueno, J., Hernández-Hierro, J. M., & Ferrer-Gallego R. (2022). Feasibility study on the use of ATR-FTIR spectroscopy as a tool for the estimation of wine polysaccharides. Carbohydrate Polymers, 287, 119-365. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119365.

21. Chen, G.-Q., & Patel, M. K. (2012). Plastics derived from biological sources: present and future: A technical and environmental review. Chemical Reviews, 112(4), 2082–2099. https://doi.org/10.1021/cr200162d.

22. Czaja-Jagielska, N., & Melski, K. (2013). Biodegradation of starch-based films in conditions of nonindustrial composting. Polish Journal of Environmental Studies, 22(4), 1039-1044.

23. Degli-Innocenti, F., Tosin, M., & Bastioli, C. (1998). Evaluation of the biodegradation of starch and cellulose under controlled composting conditions. Journal of Environmental Polymer Degradation, 6, 197–202. https://doi.org/10.1023/A:1021825715232

24. Gumargalieva, K. Z., & Zaikov, G. E. (1998). Biodegradation and biodeterioration of polymers. Kinetical aspects. Nova Science Publishing. https://doi.org/10.1017/CBO9780511550522.010

25. Jayasekara, R., Harding, I. H., Bowater, I., & Christie, G. B. Y. (2003). Biodegradation by Composting of Surface Modified Starch and PVA Blended Films. Journal of Polymers and the Environment, 11, 49–56. https://doi.org/10.1023/A: 1024219821633

26. Jayakala Devi, R., & Usha, R. (2023). Microbial approaches for the plastic bioremediation and ecofriendly environmental sustainability. Asian Journal of Chemistry, 35(2), 289-300. https://doi.org/10.14233/ajchem.2023.26928

27. Leja, K. & Lewandowicz, G. (2010). Polymer biodegradation and biodegradable polymers—A review. Polish Journal of Environmental Studies, 19, 255–266. Leejarkpai, T., Suwanmanee, U., Rudeekit, Yo., & Mungcharoen, Th. (2011). Biodegradable kinetics of plastics under controlled composting conditions. Waste Management, 31, 6, 1153-1161. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2010.12.011

28. Luo, H., Zhao, Y., Li, Y., Xiang, Y., He, D., & Pan, X. (2020). Aging of microplastics affects their surface properties, thermal decomposition, additives leaching and interactions in simulated fluids. Science of the Total Environment, 714, 136862. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136862

29. Luo, H., Chaolin, T., Dongqin, H., Anping, Zh., Jianqiang S., Jun Li, Juan Xu, & Pan, X. (2023). Interactions between microplastics and contaminants: A review focusing on the effect of aging process. Science of the Total Environment, 899, 165615, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.165615

30. Mason, S., Welch, V., & Neratko, J. (2018). Synthetic polymer contamination in bottled water. Fredonia State University. https://dx.doi.org/10.3389%2Ffchem.2018.00407

31. Moreno, B. B., Rodrigues, B. V., Afonso, L. R., & Jimenes, Ch. P. (2023). High incidence of false biodegradability claims related to single-use plastic utensils sold in Brazil. Sustainable Production and Consumption, 41. https://doi.org/10.1016/j.spc.2023.07.024

32. Nelms, S. E., Galloway, T. S., Godley, B. J., Jarvis, D. S., & Lindeque, P. K. (2018). Investigating microplastic trophic transfer in marine top predators. Environmental Pollution, 238, 999–1007. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.02.016

33. Sighicelli, M., Lietrelli, L., Lecce, F., Iannilli, V., Falconieri, M., Coscia, L., Di Vito, S., Nuglio, S. & Zampetti, G. (2018). Microplastic pollution in the surface waters of Italian subalpine lakes. Environmental Pollution, 236, 645–651. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29433105

34. Semenov, S. A., Gumargalieva, K. Z., & Zaikov, G. E. (2003). Biodegradation and durability of materials under the effect of microorganisms. VSP International Science Publishing. https://doi.org/10.1201/b11980

35. Tang, X., Alavi, S. (2011). Recent advances in starch, polyvinyl alcohol based polymer blends, nanocomposites and their biodegradability. Carbohydrate Polymers, 85, 7–16. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.01.030

36. Torres, F., Troncoso, O., Torres, C., Díaz, D., & Amaya, E. (2011). Biodegradability and mechanical properties of starch films from Andean crops. International Journal of Biological Macromolecules, 48, 603–606. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2011.01.026

37. Vroman, I., & Tighzert, L. (2009). Biodegradable polymers. Materials, 2, 307–344. https://doi.org/10.3390/ma2020307

38. Zhuozhi, Ch., Rongdi D., Yunjie, X., & Yi Wei (2022). Biodegradation of highly crystallized poly(ethylene terephthalate) through cell surface codisplay of bacterial PETase and hydrophobin. Nature Communications, 13(1), 7138. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34908-z