زیست تخریب پذیری(Biodegradation )

زیست تخریب­پذیری به معنای تجزیه­ی مواد توسط باکتری­ها، قارچ­ها یا دیگر ابزار­های بیولوژیکی است. مفهوم زیست تخریب­پذیری از مواد کودپذیر (قابل کمپوست شدن) متمایز است، اگرچه اغلب این معانی تلفیق می­شوند. درحالی­که زیست تخریب­پذیری  تنها به معنای تجزیه شدن توسط میکروارگانیسم­ها است، “کمپوست شدن” همراه تجزیه هوازی با اکسیژن و یا بی­هوازی بدون اکسیژن می­باشد. سورفاکتانت زیستی، که یک سورفاکتانت خارج سلولی ترشح شده توسط میکروارگانیسم­هاست، فرآیند زیست تخریب­پذیری را افزایش می­دهد.

مواد زیست تخریب­پذیر، عموماً مواد آلی هستند که به­عنوان یک ماده­ی غذایی برای میکروارگانیسم­ها به­کار می­روند. از آنجا که میکروارگانیسم­ها بسیار متعدد و متنوع هستند طیف وسیعی از ترکیبات از جمله هیدروکربن­ها (به­عنوان مثال نفت)، پلی­کلریدبای­فنیل­ها (PCB ها)، هیدروکربن­های آروماتیک چندحلقه­ای (PAH ها) و مواد دارویی را تجزیه می­کنند؛ تجزیه­ی مواد زیست تخریب­پذیر ممکن است شامل هر دو مرحله­ی زیستی و غیر­زیستی باشد.

عوامل مؤثر بر سرعت تجزیه در زیست تخریب پذیری

در عمل، تقریباً تمام ترکیبات و مواد شیمیایی تحت تجزیه­ی زیستی قرار می­گیرند ولی مهم سرعت نسبی چنین فرآیند­هایی است: نور، آب و اکسیژن از عوامل اصلی سرعت تجزیه هستند ^(۱). علاوه بر این عوامل دما نیز مهم است زیرا فعالیت واکنش­های شیمیایی در دماهای بالاتر سریع­تر می باشد. ترکیبات قبل از تجزیه توسط ارگانیسم­ها، باید به صورت محلول درآیند^(۲).

زیست تخریب­پذیری می­تواند از چند راه اندازه­گیری شود به طور مثال آزمون­های تنفس­سنجی (Respirometry) می­توانند برای سنجش فعالیت میکروب­های هوازی استفاده شوند. برای این کار ابتدا یک نمونه از مواد زائد جامد در یک ظرف به همراه میکروارگانیسم­ها و خاک قرار داده می­شود، سپس مخلوط هوا­دهی شده و طی دوره­ی چند روزه که میکروارگانیسم­ها نمونه را ذره ذره هضم می­کنند دی­اکسیدکربن تولید می شود. در این شرایط مقدار CO₂ حاصله به­ عنوان شاخص تجزیه به­کار می­رود. زیست تخریب­پذیری می­تواند توسط میکروب­های بی­هوازی صورت پذیرد در این صورت میزان گاز متان تولید شده یکی از شاخص­های تجزیه خواهد بود.

در متون علمی، این فرآیند زیست­پالایی  (bio-remediation) نامیده می­شود^(۳).

زمان تقریبی برای تجزیه ترکیبات در یک محیط دریایی در جدول ذیل آورده شده است^(۴).

مواد شوینده و زیست تخریب پذیری

مواد شوینده از جمله موادی هستند که در راستای افزایش سرعت زیست تخریب پذیری دستخوش تغییر می­شوند. در جوامع پیشرفته، شوینده­های رختشویی بر پایه­ی آلکیل­بنزن­سولفونات خطی هستند زیرا آلکیل­بنزن­سولفونات­های شاخه­دار که در زمان­های قدیم مورد استفاده بوده، به دلیل تجزیه­پذیری بسیار آهسته­شان کنار گذاشته شدند^(۵).

4-(5-دودسیل) بنزن سولفونات که جزء دو دسیل بنزن سولفونات خطی می باشد.

یک آلکیل بنزن سولفونات شاخه دار که در کشورهای توسعه یافته تدریجاً حذف شده است.

پلاستیک­ها و زیست تخریب پذیری

پلاستیک­ها با سرعت بسیار متغیری تجزیه می­شوند. لوله­کشی­های بر­پایه­ی PVC خصوصاً برای هدایت فاضلاب انتخاب می­شوند زیرا PVC زیست تخریب پذیری  بسیار آهسته­ای دارد. این در حالی است که استفاده از برخی از مواد پلاستیکی که در محیط زیست به راحتی تجزیه می شوند برای بسته­بندی مواد مختلف در حال گسترش می باشد^(۶).  پلیمر­هایی همچون پلی­کاپرولاکتون (polycaprolactone)، پلی­استر­ها و استر­های معطر آلیفاتیک جزء پلیمرهای مصنوعی با سرعت زیست تخریب پذیری بالا هستند. پلی 3- هیدروکسی­بوتیرات (مشتق شده از پلی­لاکتیک­اسید) و پلی­کاپرولاکتون­های نمونه­های بارزی از این دست مواد می باشند.  سلولز استات و سلولوئید (نیترات سلولز) نیز مثال هایی از پلاستیک­های بر پایه­ی سلولز با سرعت تجزیه بالا می­باشند.

در شرایط کم­اکسیژن، پلاستیک­های زیست تخریب­پذیر آهسته­تر تجزیه می­شوند و مشابه فرآیند تجزیه در سایر مواد آلی، متان تولید می­کنند. این فرآیند تجزیه در یک توده­ی اختصاصی کمپوست تسریع می­شود. پلاستیک­های بر­پایه­ی نشاسته در طول دو تا چهار ماه در یک محفظه­ی کمپوست خانگی تجزیه می­شوند، در حالی­که پلی­لاکتیک­اسید در این شرایط تا حد زیادی تجزیه نمی شود و به دماهای بالاتری نیاز دارد. ترکیبات پلی­کاپرولاکتون و پلی­کاپرولاکتون­های نشاسته­ای کند­تر تجزیه می­شوند اگرچه محتوای نشاسته­ای آن­ها، تجزیه را سرعت می­بخشد، اما این فرآیند چند ماه طول می­کشد.

بسیاری از تولید کنندگان پلاستیک ادعا کرده­اند که پلاستیک­های آن­ها قابلیت کمپوست شدن را دارا هستند آن­ها معمولاً از نشاسته­ی ذرت در ترکیب پلاستیک­هایشان استفاده کرده­اند. هر چند این ادعا­ها زیر سؤال است چرا که طبق تعریف ارائه شده توسط صنعت پلاستیک سازی، قابلیت کمپوست شدن یعنی:

” چیزی که قادر است تحت تجزیه­ی بیولوژیکی قرار گرفته به­ طوری­که مواد حاصل از تجزیه آن با چشم قابل تشخیص نباشند و با یک سرعت سازگار با سرعت تجزیه مواد قابل کمپوست شدن، به دی­اکسید کربن، آب، ترکیبات آلی و بیومس (زیست­توده)  تجزیه شوند.”^(۸)

اصطلاح “کمپوست شدن” معمولا برای توصیف زیست تخریب پذیری مواد مورد استفاده برای بسته­بندی به کار برده می­شد. در حالیکه تعاریفی حقوقی برای توانایی کمپوست شدن وجود دارد که طبق آنها فرآیندی که منجر به تولید کمپوست می­شود معرفی شده است. در ذیل چهار معیار ارائه شده توسط اتحادیه­ی اروپا برای تعریف قابلیت کمپوست شدن آمده است:^{(۱۰ و ۹)}

• ترکیب شیمیایی: باید فلزات سنگین و موادی فرار در آن محدود شده باشد.
• زیست تخریب پذیری: که عبارت است از تبدیل بیش از 90% ماده به دی­اکسیدکربن و آب توسط عمل میکروارگانیسم­ها در طول 6 ماه.
• توانایی تجزیه­پذیری: که عبارت است از خردشدن شدن 90% از توده­ی اصلی به ذراتی که توانایی عبور از غربال 2 میلی­متری را داشته باشند.
• کیفیت: که شامل عدم وجود مواد سمی و مواد دیگری که مانع کمپوست شدن می­شوند.

پلی لاکتیک اسید نمونه ای از پلاستیک با سرعت زیست تخریب پذیری بالا

کپک لجن زرد درحال رشد در یک ظرف حاوی کاغذ مرطوب

منابع:

1. Sims, G. K. and A.M. Cupples. 1999. Factors controlling degradation of pesticides in soil. Pesticide Science 55:598–601.
2. Sims, G.K. (1991). The effects of sorption on the bioavailability of pesticides. London: Springer Verlag. pp. 119–137.
3. “Measuring Biodegradability”, The University of Waikato, June 19, 2008
4. “Marine Debris Biodegradation Time Line”. C-MORE, citing Mote Marine Laboratory, 1993.
5. Kurt Kosswig,”Surfactants” in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2005, Weinheim. doi:1002/14356007.a25_747
6. Kyrikou, Ioanna; Briassoulis, Demetres (12 Apr 2007). “Biodegradation of Agricultural Plastic Films: A Critical Review”. Journal of Polymers and the Environment. SpringerLink . 15 (2): 125–150. doi:1007/s10924-007-0053-8. Retrieved 30 May 2015.
7. “Microsoft Word – SECTION 6 BIODEGRADABILITY OF PACKAGING WASTE.doc” (PDF). Www3.imperial.ac.uk. Retrieved 2014-03-02.
8. “Compostable.info”. Compostable.info. Retrieved 2014-03-02.
9. http://greenplastics.com/wiki/EN_13432
10. Breulmann et al. “Polymers, Biodegradable” in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry 2012 Wiley-VCH, Weinheim.doi:10.1002/14356007.n21_n01