پلی پروپایلن

Report
‫سمینار کارشناس ی ارشد‬
‫تجزیه زیستی پلیمرهای مصنوعی (پلی اتیلن و پلی پروپایلن)‬
‫استاد راهنما‪ :‬جناب آقای دکتر پوربابایی‬
‫استاد درس‪ :‬جناب آقای دکتر حیدری‬
‫ارایه‪ :‬عاطفه اسماعیلی‬
‫تابستان‪1389‬‬
‫مقدمه‬
‫ما تنها يك كره زمين براي زيست داريم و اين كره ميبايد براي صدها و هزارن نسل ديگر زنده و پويا‬
‫باقي بماند‪ .‬حذف پويايي و دوبارهزايي كره زمين در دراز مدت نابودي نسلهاي آتي و در كوتاه مدت فقر‬
‫و نا اميدي را به همراه ميآورد و تعجب اينكه تنها موجودي كه ميتواند مرگ كره زمين را به همراه‬
‫آورد و پويايي زندگي آن را به مخاطره اندازد « انسان » اشرف مخلوقات است‪.‬‬
‫پالستيك‪ ،‬به عنوان يك نوآوري بشر در قرن بيستم‪ ،‬منشا بسياري از تحوالت مثبت در جهان شده‬
‫است‪ .‬در طی ‪ 30‬سال گذشته‪ ،‬مواد پالستیکی نقش مهمی را در تغیير شکل زندگی مردم ایفا نموده‬
‫اند و ميزان مصرف آنها در جوامع توسعه یافته و در حال توسعه همچنان در حال افزایش است‪.‬‬
‫مقدمه‬
‫هرآنقدر كه توليد انواع مختلف پالستيكها و كاربرد آن گسترش پيدا كرد به همان ميزان‬
‫مظلوميت كره خاكي خود را شاهد بودهايم كه به چهسان در طول ساليان دراز‪ ،‬محل دفن‬
‫ميلياردها تن از محصوالت پالستيكي بوده است‪.‬‬
‫براستي با بحران پالستيكهاي مصرف شده كه در محيط زیست رها شدهاند و عالوه بر بد‬
‫منظره كردن طبيعت‪ ،‬آسيبهاي جبران ناپذيري بر مسيرهاي جريان آزاد آب‪ ،‬صدمه بر حيوانات و‬
‫آلودهسازي خاك را به همراه دارد چه بايد كرد؟‬
‫از این رو در این مطالعه‪ ،‬مروری بر تجزیه پلیمرهای مصنوعی (پالستیک ها) بخصوص از منظر‬
‫زیستی خواهیم داشت‪.‬‬
‫تعاریف‬
‫پلیمر‪:‬‬
‫مشتق شده از یک لغت يوناني به معناي قسمت هاي بسيار ( بسيار = ‪ poly‬و قسمت ها =‬
‫‪ :meros‬ماکروملکول های متشکل از ملکول های کوچک (ساالرآملی‪.)1383,‬‬
‫پالستیک ‪:‬‬
‫از واژه یونانی ‪ plastikos‬به 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 پایين‬
‫• زنجيره های بلند ملکولهای پلیمریک دست ساز بشر ( ‪.)Scott, 1999‬‬
‫• تولید جهانی ساالنه‪ 140 ،‬میلیون تن پلیمرهای مصنوعی (‪.)Shimao, 2001‬‬
‫• تولید ‪ 57‬میلیون تن ضایعات پالستیکی در سال در مقیاس جهانی ( ‪Kathiresan,‬‬
‫‪.)2003; Bollag etal, 2000‬‬
‫پالستیک های مورد استفاده در صنایع بسته بندی‪ :‬پلی اتیلن (‪ ،)PE‬پلی پروپایلن (‪)PP‬‬
‫استایرن (‪ ،)PS‬پلی وینیل کلراید (‪ ،)PVC‬پلی اورتان (‪ )PUR‬و پلی اتیلن ترفتاالت (‪.)PET‬‬
‫پلی‬
‫مزایای مواد پالستیکی‪:‬‬
‫• مقاومت در برابر خوردگی های فيزیکی و شیمیایی و شرایط جوی‬
‫• عایق حرارت و الکتریسیته‬
‫• سبک بودن‬
‫• قیمت پایين‬
‫معایب مواد پالستیکی‪:‬‬
‫• بحران آلودگی سفید بدلیل افزایش دراماتیک تولید و فقدان زیست تجزیه پذیری‬
‫(‪.)Albertsson etal., 1987‬‬
‫• سد کنندگی مسير جریان آبها‬
‫• مرگ و مير حیوانات دریایی در اثر بلعیدن قطعات پالستیکی (ساالنه یک میلیون پرنده‬
‫دریایی و حدود ‪ 100000‬جانور دریایی همچون دولفين ها‪ ،‬الک پشت ها‪ ،‬پنگوئن ها و‬
‫انواع نرم تنان‬
‫مرگ ریز‬
‫• ممانعت از ورود نور خورشید به خاک در اثر تجمع روی زمين‬
‫کاهش حاصلخيزی خاک‬
‫موجودات مفید خاک‬
‫معایب مواد پالستیکی‪:‬‬
‫تخریب خصوصیات شیمیایی خاک‬
‫• آزاد شدن ترکیبات اسیدی از پالستیک ها‬
‫کاهش حاصلخيزی خاک‬
‫• وجود سرب و کادمیوم به عنوان مواد افزودنی در پلی اتیلن‬
‫• آزاد شدن استالدهید از پلی اتیلن ترفتاالت‬
‫• بحث سوزاندن پالستیک ها و خطرات آن‬
‫پلی اتیلن (‪:)PE‬‬
‫پلی اتیلن‪ ،‬پلیمری متشکل از زنجيره های بلند مونومرهای اتیلن است‪ ،‬که بر اساس ميزان‬
‫انشعابات و دانسیته اش‪ ،‬به انواعی چون‪ :‬پلی اتیلن با دانسیته کم (سبک)‪ ،‬متوسط‪،‬‬
‫زیاد (سنگين)‪ ،‬پلی اتیلن خطی با دانسیته کم و پلی اتیلن با دانسیته بسیار کم تقسیم‬
‫بندی میشود‪.‬‬
‫موارد کاربرد‪ :‬ساخت انواع لوله‪ ،‬کیسه های متنوع پالستیکی‪ ،‬بشکه های حمل مواد‬
‫شیمیایی‪ ،‬بطریهای پالستیکی جهت نگهداری شير‪ ،‬روغن‪ ،‬آب میوه‪ ،‬انواع اسباب بازی و ‪..‬‬
‫‪ )1‬پلی اتیلن با دانسیته کم ‪:Low Density Poly Ethylene‬‬
‫وجود زنجيره ها و شاخه های بلند و کوتاه بسیار بدلیل فرآیند فشار باالی تولید‬
‫پایين بودن درجه بلورینگی‬
‫انعطاف پذیری خوب‬
‫نقطه ذوب و چگالی پایين (‪)9/0 -0/ 94g.cm -3‬‬
‫استفاده در صنایع فیلم سازی‬
‫‪ )2‬پلی‬
‫اتیلن خطی با دانسیته کم ‪Linear Low Density Poly Ethylene‬‬
‫ملکول های با ساختار خطی بدنه اصلی و اتصال گروه های آلکیلی بصورت شاخه‬
‫کاهش درجه بلورینگی و چگالی نسبت به پلی اتیلن با دانسیته باال‬
‫(‪)0/9- 0/94g.cm3‬‬
‫استفاده در ساخت عایق سیم و کابل و کیسه های میوه و زباله‬
‫‪ )3‬پلی اتیلن با دانسیته بسیار کم‪:‬‬
‫با ساختاری مشابه ‪ ،LDPE‬اما حضور شاخه های کوتاه بیشتر‬
‫کاهش درجه بلورینگی و چگالی نسبت به پلی اتیلن با دانسیته پایين‬
‫(‪)86/0-0/ 9 g.cm-3‬‬
‫کاربرد‪ :‬ساخت لوله های پزشکی و صنایع بسته بندی گوشت‬
‫پلی‬
‫اتیلن با دانسیته باال ‪High Density Poly Ethylene‬‬
‫افزایش انسجام‪ ،‬مقاومت شیمیایی و‬
‫وجود ساختار خطی و عدم حضور انشعاب‬
‫چگالی نسبت به پلی اتیلن با دانسیته پایين ( ‪)0/ 96g.cm-3‬‬
‫موارد کاربرد‪ :‬ساخت لوله های آب‪ ،‬ژئومبرن ها‪ ،‬ميز و صندلی‪ ،‬ظروف مواد شوینده و‬
‫قطعات الکتریکی‪.‬‬
‫پلی پروپایلن (‪)PP‬‬
‫پلیمری با ساختار خطی‪ ،‬متشکل از مونومرهای پروپایلن (پروپن)‪ ،‬با درجه بلورینگی‬
‫حدواسط ‪ LDPE‬و ‪.HDPE‬‬
‫موارد کاربرد‪ :‬تولید الیاف‪ ،‬لوازم خانگی و صنعتی‪ ،‬موکت‪ ،‬فرش ماشینی‪ ،‬صنایع اتومبیل و‬
‫لوله های سبز‬
‫این پلیمر‪ ،‬از لحاظ نحوه جهت گيری و قرارگيری گروه های متیل بر روی زنجيره اصلی‪ ،‬به‬
‫سه دسته طبقه بندی میشود‪:‬‬
‫• پلی پروپایلن ایزوتاکتیک (‪)Isotactic PP‬‬
‫معمول ترین فرم پلی پروپایلن‪ ،‬با جهت گيری مشابه تمامی گروههای متیل بر روی زنجيره‬
‫حداکثر پیوندهای واندروالس بين زنجيره ها و افزایش مقاومت‬
‫اصلی‬
‫• پلی پروپایلن آتاکتیک (‪)Atactic PP‬‬
‫ظهور بی نظمی و پیوندهای‬
‫جهت گيری تصادفی گروه های متیل بر روی زنجيره اصلی‬
‫واندروالس ضعیف بين زنجيره ها و پایين ترین ميزان مقاومت و نقطه ذوب در بين سایر انواع‬
‫• پلی پروپایلن سیندیوتاکتیک (‪(Syndiotactic PP‬‬
‫برقراری‬
‫جهت گيری مشابه گروه های متیل بر روی زنجيره اصلی بصورت یک در میان و‬
‫پیوندهای واندروالس محکم‪ ،‬ميزان مقاومت و نقطه ذوبی به مقدار حدواسط دو نوع دیگر‬
‫پر مصرف ترین پلیمرها در ایران و جهان‪:‬‬
‫پلی اتیلن‪ ،‬با تولید ساالنه‪ 51 ،‬میلیون تن‪ ،‬پر مصرف ترین پلیمر در جهان است‪ .‬پس از آن‪،‬‬
‫پلی پروپایلن با تولید ساالنه ‪ 31‬میلیون تن و پلی استر (پلی اتیلن ترفتاالت) و پلی وینیل‬
‫کلراید‪ ،‬در جایگاه دوم تا چهارم قرار دارند (ساالرآملی‪.)1383 ،‬‬
‫ایران با رشد ‪ 44‬درصدی ظرفیت‪ ،‬بیشترین رشد ظرفیت پلیمرهای اساس ی را در منطقه‬
‫داراست‪ .‬پس از ایران‪ ،‬کشورهای قطر و عربستان‪ ،‬به ترتیب با ‪ 23‬و ‪ 13‬درصد رشد‬
‫ظرفیت‪ ،‬در مقام دوم و سوم قرار دارند (ساالرآملی‪.)1383 ،‬‬
‫اما از لحاظ نوع محصول‪ ،‬بیشترین رشد ظرفیت‪ ،‬مربوط به پلی اتیلن ترفتاالت‪،‬‬
‫پلی پروپایلن و پلی اتیلن است‪.‬‬
‫تجزیه پالستیکها (پلیمرهای مصنوعی)‪:‬‬
‫هر گونه تغیير فيزیکی یا شیمیایی در پلیمر در اثر فاکتورهای محیطی مانند نور‪ ،‬گرما‪،‬‬
‫حرارت‪ ،‬رطوبت‪ ،‬شرایط شیمیایی و یا فعالیت بیولوژیکی تحت عنوان تجزیه پالستیک‬
‫محسوب میشود‪.‬‬
‫در حقیقت‪ ،‬فرآیندهای القا کننده تغیير در خصوصیات پلیمر‪ ،‬به سبب واکنشهای‬
‫فيزیکی‪ ،‬شیمیایی و بیولوژیکی‪ ،‬که نتیجه آن‪ ،‬شکست پیوند‪ ،‬تغیير شکل شیمیایی و‬
‫تشکیل گروه های عملکردی است‪ ،‬به عنوان تجزیه پلیمر دسته بندی شده اند ( ‪Shah‬‬
‫‪.)etal, 2008‬‬
‫تجزیه زیستی پلیمرها‬
‫(‪:)polymer biodegradation‬‬
‫تجزیه زیستی‪ ،‬فرآیندی است که توسط آن‪ ،‬اجزای آلی از طریق میکروارگانیسم‬
‫های زنده شکسته میشوند‪.‬‬
‫ً‬
‫قبال‪ ،‬تجزيه زيستي بعنوان تجزيه مواد توسط عمل ميكروارگانيسمها تعريف ميشد‪ .‬اين‬
‫عمل منجر به چرخه درآمدن كربن‪ ،‬معدني شدن مواد آلي(‪ CO2‬و ‪ H2O‬و نمكها) و توليد‬
‫زیستتوده تازه ميشود (‪.)Dommergues & Mangenton, 1972‬‬
‫در حال حاضر‪ ،‬پيچيدگي تجزيه زيستي بهتر شناخته شده و نميشود آنرا براحتي خالصه كرد‬
‫(‪.)Belal, 2003; Grima, 2002‬‬
‫تجزيه زيستي مواد پليمريك شامل مراحل مختلفي است و این پروسه ميتواند در هر مرحله‬
‫متوقف شود (‪.)Pelmont, 1995‬‬
‫این مراحل عبارتند از‪:‬‬
‫• زوال زیستی (‪)biodeterioration‬‬
‫• قطعه قطعه شدن زیستی (‪)biofragmentation‬‬
‫• جذب (‪)assimilation‬‬
‫اما‪ ،‬در طبيعت‪ ،‬فاكتورهاي زیستی و غيرزیستی بطور سينرژيستي براي تجزيه مواد آلي‪،‬‬
‫ايفاي نقش ميكنند‪ .‬مطالعات متعدد راجع به تجزيه زيستي برخي پليمرها نشان ميدهد كه‬
‫تجزيه غير زيستي جلوتر و مقدمتر از جذب ميكروبي است ( ;‪Kister et al, 2000‬‬
‫‪.)Proikakis et al, 2006‬‬
‫در نتيجه‪ ،‬تجزيه غير زيستي نبايد ناديده گرفته شود‪.‬‬
‫مشاركت عوامل غير زيستي در تجزیه‪:‬‬
‫در معرض قرارگرفتن مواد پلیمریک در شرایط بيرون (‪)outdoor‬‬
‫مکانیکی‪ ،‬شیمیایی و حرارتی‪ ،‬با درجه اهمیت بیشتر و کمتر در مواد‬
‫تغیير توانایی مواد پلیمریک برای تجزیه زیستی‬
‫ایجاد تغیيرات‬
‫در اغلب نمونهها‪ ،‬پارامترهاي غير زيستي در سست كردن ساختار پليمريك شركت ميكنند‪ ،‬و مواد‬
‫در اين راه‪ ،‬متوجه تغييرات ناخواستهاي ميشوند ( ‪Helbling et al, 2006; Ipekoglu et al,‬‬
‫‪ .)2007‬گاهي اوقات‪ ،‬اين پارامترهاي غيرزنده يا بعنوان فاكتورهاي سينرژيستي يا براي شروع‬
‫پروسه تجزيه زيستي مفيدند (‪ .)Jakubowicz et al, 2006‬مطالعه نقش و مشاركت شرايط‬
‫غير زنده براي تخمين بهتر پايايي مواد پليمريك ضروري است‪.‬‬
‫‪ )1‬تجزیه‬
‫مکانیکی‪:‬‬
‫تجزيه مكانيكي ميتواند بخاطر كمپرس شدن‪ ،‬تنش و كشش يا نيروهاي برش ي اتفاق بيفتد‪.‬‬
‫در مقياس ماكروسكوپي‪ ،‬خسارات و آسيبها بطور فوری و ناگهاني قابل مشاهده نيستند‬
‫(‪ ،)Duval, 2004‬اما در مقياس مولكولي‪ ،‬تجزيه ميتواند شروع شود‪.‬‬
‫فاكتورهاي مكانيكي در طول فرایند تجزيه زيستي غالب نيستند اما خسارات مكانيكي میتواند‬
‫تجزيه را فعال كند يا سبب تشدید آن شود )‪.(Briassoulis, 2005‬‬
‫‪ )2‬تجزیه‬
‫نوری‪:‬‬
‫مواد زيادي‪ ،‬حساس به نور هستند‪ .‬حساسیت پلیمرها به تجزیه نوری مربوط به توانایی‬
‫جذب بخش مضر پرتو توپوسفریک خورشید است که شامل پرتوافکنی ‪UV-B‬‬
‫(‪ )295-315nm‬و پرتوافکنی ‪ ،)315-400nm( UV-A‬مسئول تجزیه نوری مستقیم است‪.‬‬
‫فعال شدن و بر انگیخته شدن الکتون‬
‫ایجاد تغیيراتی در وزن ملکولی پلیمر‪ ،‬شکسته‬
‫جذب پرتوهای پر انرژی بخش ماوراءبنفش‬
‫اکسیداسیون و شکست پلیمر‬
‫ها‬
‫شدن‪ ،‬ترک خوردن‪ ،‬سفید شدن و تغیير رنگ (‪.)Olayan etal,1996‬‬
‫افزودن عمدی ساختارهای ملکولی حساس به نور‪ ،‬به چهارچوب پلیمر‪ ،‬جهت القای تجزیه‬
‫نوری (‪ )Kounty et al, 2006; Wiles & Scott, 2006‬و استفاده از این استراتژی برای‬
‫تولید پلیمرهای با قابلیت تجزی پذیری باالتر ( ‪Schyichuket al, 2001; Weiland et al,‬‬
‫‪.)1995‬‬
‫تجزیه حرارتی (گرمایی)‪:‬‬
‫زوال و تخریب ملکول در نتیجه زیاد گرم شدن (‪ )overheating‬است‪.‬‬
‫در دمای باال‪ ،‬اجزای ستون زنجيره بلند پلیمر میتواند شروع به جدا شدن کند‪،‬‬
‫(شکست ملکولی) و با یکی دیگر از ملکولها برای تغیير خصوصیات پلیمر واکنش دهد‪.‬‬
‫تجزیه شیمیایی‪:‬‬
‫• اکسيژن به عنوان قوی ترین‬
‫• هیدروليز (;‪.)Muller et al, 1998 Yi et al, 2004; Tsuji & Ikada, 2000‬‬
‫قابلیت بیشتر ساختارهای آمورف برای تجزیه‪ ،‬نسبت به چهارچوب های ملکولی کریستالی‬
‫محرک شیمیایی تجزیه مواد (‪.)Briassoulis, 2005‬‬
‫زوال زیستی (‪:)biodeterioration‬‬
‫زوال زيستي يك تجزيه سطحي و ظاهري است كه خصوصيات شيميايي‪ ،‬فيزيكي و مكانيكي‬
‫مواد را تغيير ميدهد‪.‬‬
‫ً‬
‫زوال زيستي اساسا نتيجه فعاليت ميكروارگانيسم رشد كننده روي سطح و يا داخل مواد‬
‫است (‪.(Hueck, 2001; Walsh, 2001.‬‬
‫ميكروارگانيسمهاي شركت كننده در زوال زيستي بسيار متنوعاند و متعلق به باكتریها‪ ،‬پروتوزوآ‪،‬‬
‫جلبكها‪ ،‬قارچها و گروه گلسنگها اند (‪ .)Wallstrom et al, 2005‬آنها ميتوانند كنسرسيوماي‬
‫با يك ساختار سازمان یافته كه بيوفيلم ناميده ميشود تشكيل دهند (‪ .)Gu, 2003‬اين حصير‬
‫ميكروبي كه بعنوان سينرژيسم عمل ميكند‪ ،‬خسارات جدي ای را روي مواد مختلف بر ميافكند‬
‫(‪.)Flemming 1998, GU et al, 1996a,b, 1997, 1998a,b, 2007‬‬
‫میکروارگانیسم ها از طرق مختلف در زوال زیستی شرکت میکنند‪:‬‬
‫• طریقه فيزیکی‬
‫• طریقه شیمیایی‬
‫• و مسير آنزیمی‬
‫‪ (1‬راه فيزیکی زوال زیستی توسط میکروارگانیسم ها‪:‬‬
‫•‬
‫•‬
‫چسبیدن به سطح پلیمر از طریق تولید لعابی از پلی ساکاریدها (‪.)Capitelli et al, 2006‬‬
‫نفوذ میسلیوم میکروارگانیسم های رشته ای بدرون مواد‬
‫منافذ (‪.)Bonhomme et al, 2003‬‬
‫ایجاد ترک و افزایش سایز‬
‫‪ )2‬راه شیمیایی زوال زیستی توسط میکروارگانیسم ها‪:‬‬
‫• تولید پلیمرهای برون سلولی (سورفاکتانت ها)‬
‫• تجمع آالینده های اتمسفریک بدلیل حضور لعاب‬
‫(‪.)Zanardini et al, 2000‬‬
‫• تولید اسیدهای آلی توسط باکتری های شیمیولیتوتروف‬
‫تسهیل نفوذ گونه های میکروبی‬
‫توسعه میکروارگانیسم ها بر سطح پلیمر‬
‫نبتروزوموناس‬
‫نیتروباکتر‬
‫تیوباسیلوس‬
‫نیتروز اسید‬
‫اسید نیتریک‬
‫اسید سولفوریک‬
‫( & ‪Rubio et al, 2006; Crispim & Gaylard, 2005 Robert et al, 2002; Braams‬‬
‫;‪.)Wanscheid, 2000‬‬
‫• تولید اسیدهای آلی توسط باکتری های شیمیوارگانوتروف مانند اسید اگزالیک‪ ،‬گلوکونیک‪ ،‬گلوتاریک‪ ،‬سیتریک و‬
‫فوماریک (‪.)Jenings & lysek, 1996‬‬
‫نقش اسیدهای مذکور‪:‬‬
‫• تثبیت و رسوب کاتیون ها از ماتریکس پلیمر (‪.)Warscheid & Braams, 2000‬‬
‫• تعامل با اجزای سازنده پلیمر و افزایش فرسایش سطح (‪.ugauskas et al, 2003)L‬‬
‫• ایفای نقش‪ ،‬بعنوان منبع کربن برای قارچ ها و باکتری ها ی رشته ای جهت توسعه میسلیوم ( ‪Hakkarainen‬‬
‫‪.)et al, 2000‬‬
‫•پروسه های اکسیداسیون‪:‬‬
‫جذب کاتیونهای آهن و منگنز توسط برخی باکتری های‬
‫شیمیولیتوتروف وقارچها توسط واکنشهای اکسیداسیون‬
‫(‪)Pelmont, 2005‬‬
‫ترشح آنزیمهای برون سلولی چون پروکسیدازها‬
‫کاتیون ها و تجزیه هیدروکربن ها‬
‫اکسیداسیون‬
‫( ;‪Enoki et al, 1997, 1897; Zapanta & Tien, 1997; otsuka et al, 2003‬‬
‫‪.)Hofrichter, 2002‬‬
‫‪ )3‬راه آنزیمی زوال زیستی توسط میکروارگانیسم ها‪:‬‬
‫برخی مواد با اینکه بعنوان پلیمرهای سرسخت در نظر گرفته میشوند (مانند پلی اورتان‪PVC ،‬‬
‫و پلی آمید)‪ ،‬هدف زوال زیستی قرار میگيرند‪Shah 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 درگير 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 تخمين زوال زیستی‪:‬‬
‫‪ (1‬ارزیابی تغیير شکل های ماکروسکوپیک‪:‬‬
‫(زبر و نا صاف شدن سطح‪ ،‬ایجاد سوراخ و ترک‪ ،‬تغیير 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 کلونيزاسیون 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 آناليزها ( میکروسکوپ فوتویونیک‬
‫(‪ ،)Tchmutin et al, 2004‬میکروسکوپ 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, 2005‬و‬
‫میکروسکوپی پالریزه (‪ .)Tsuji et al, 2006‬میکروسکوپی اتمیک فورس ‪)(atomic force‬‬
‫میتواند برای مشاهده توپولوژی سطح پلیمر استفاده شود ( ‪Chanprateep et al,‬‬
‫‪.)2006‬‬
‫‪ )2‬اندازه گيری کاهش وزن‪:‬‬
‫این روش بطور پیوسته برای تخمين زیست تخریب پذیری استفاده میشود‪ .‬این روش برای تست‪-‬‬
‫های زیست تخریبپذیری درجا استاندارد شده است ( ;‪NF EN ISO 13432; ISO 14852‬‬
‫‪.)Krzen et al, 2006; ISO 14855 Krzen et al, 2006‬‬
‫‪ )3‬ارزیابی تغیير خصوصیات رئولوژیک‬
‫زوال زیستتی درونتی میتوانتد توستط تغیيتر خصوصتیات رئولتوژیکی ارزیتابی شتود (‬
‫‪ ،)Kiekens, 2002‬مقاومتت کش ت ی بتا یتک تستتر کش ت ی ( ‪Tsuji et al, 2006; Kim et al,‬‬
‫‪ ،)2006b; Ratto et al, 1999‬طتول و امتتداد در شکستت توستط یتک تستتر مکتانیکی ( ‪Tserki et‬‬
‫‪ ،)al, 2006‬درص تتد طوی تتل ش تتدگی و ارتج تتاعی ب تتودن توس تتط آناليزه تتای حرارت تتی مک تتانیکی دینامی تتک‬
‫(‪ )Domenek et al, 2004‬اندازه گيری میشود‪.‬‬
‫& ‪Van de velde‬‬
‫‪ )4‬تولید محصول‪:‬‬
‫تولید گلوکز به دنبال ادعای تجزیه مواد پلیمریک حاوی سلولوز (‪.)Aburto et al, 1999‬‬
‫قطعه قطعه شدن زیستی (‪:)biofragmentation‬‬
‫یک پدیده الزم برای رخداد بعدی است که جذب نامیده میشود‪.‬‬
‫میکروارگانیسم ها روشهای مختلفی برای شکست پلیمرها دارند‪ .‬آنها آنزیمهای ویژه ای ترشح و یا تولید‬
‫رادیکالهای آزاد میکنند‪.‬قطعه قطعه شدن زیستی‪ ،‬اساسا توسط آنزیم ها انجام میشود که خود به طرق‬
‫مختلفی صورت می پذیرد‪:‬‬
‫• هیدروليز آنزیمی‪:‬‬
‫ً‬
‫قطعه قطعه شدن بیولوژیکی (زیستی) اساسا توسط آنزیم هایی رهبری میشود که متعلق به اکسید رداکتازها و‬
‫هیدروالیزها هستند‪ .‬سلوالزها‪ ،‬آمیالزها و کوتینازها هیدروالزهایی هستند که براحتی توسط میکروارگانیسم های‬
‫خاک برای هیدروليز پلیمرهای طبیعی فراوان (مانند سلولز‪ ،‬نشاسته و کوتين) سنتز میشوند‪.‬‬
‫• اکسیداسیون آنزیمی‪:‬‬
‫زمانیکه واکنش های شکست توسط آنزیم های ویژه‪ ،‬سخت هستند (یعنی نواحی کریستالی‪ ،‬مناطق آبگریز‪ ،‬موانع‬
‫فضایی)‪ ،‬سایر آنزیم ها در تغیير شکل ساختار ملکولی درگير میشوند‪:‬‬
‫تسهیل قطعه قطعه شدن‬
‫تولید گروه های پروکسیل و الکل‬
‫‪ .1‬منواکسيژنازها و دی اکسيژنازها‬
‫‪ .2‬پروکسیدازها (هموپروتئين ها) (‪)Hofrichter,2002‬‬
‫‪ .3‬اکسیدازها (متالوپروتئين های حاوی اتم های مس‬
‫•اکسیداسیون‬
‫رادیکالی‪:‬‬
‫افزودن یک گروه هیدروکسیل و تشکیل گروههای کربوکسیل و کربونیل سبب افزایش قطبیت ملکول‬
‫میشود‪.‬‬
‫تسهیل حمله بیولوژیکی‬
‫افزایش خاصیت آبدوستی‬
‫بهر حال‪ ،‬ساختارهای کریستالی و شبکههای ملکولی با نظم باال (‪ )Muller et al, 1998‬بدلیل محدودیت‬
‫دسترس ی به بخشهای درونی این ساختار ها‪ ،‬برای حمله آنزیمی مناسب نیستند‪.‬‬
‫راه های تخمين قطعه قطعه شدن زیستی‪:‬‬
‫هنگامي يك پليمر بعنوان یک پلیمر قطعه قطعه قطعه شده در نظر گرفته ميشود که مولكولهاي با وزن‬
‫مولكولي پائين در محيط كشف شوند‪ .‬تكنيك آناليزي كه اغلب براي تمييز دادن اليگومرها با وزن مولكولي‬
‫مختلف استفاده ميشود‪ GPC ،‬است که كروماتوگرافي اخراج سايز )‪ (SEC‬نيز ناميده ميشود ( ‪Preeti‬‬
‫;‪et al, 2003; Ki & Park, 2001; Hakkarainen et al, 2000; Ratto et al, 1999‬‬
‫‪Bikiaris et al, 2006; Marten et al, 2005; Rizzarelli et al, 2004; Kawai et al,‬‬
‫‪.)2004; Marquies _ Calvo et al, 2006‬‬
‫ً‬
‫‪ HPIC‬و ‪ GC‬معموال براي شناسايي مونومرها و اليگومرها در محیط مايع (;‪Araujo et al, 2004‬‬
‫‪ )Gattin et al, 2002‬يا در يك فاز گازي (‪ )Witt et al, 2001‬بكار ميروند‪.‬‬
‫تغييرات شيميايي عملكردي براحتي توسط ‪ FTIR‬رديابي ميشوند ( ‪Kim et al, 2006b; Nagai,‬‬
‫‪.)et al, 2005‬‬
‫تست های آنزیماتیک جهت برآورد تمایل طبیعی برای دپلیمریزه کردن سوبسترا در محیط مایع‬
‫(‪Bikiaris et al, 2006; Marten et al, 2005; Rizzarelli et al, 2004; Cerda-‬‬
‫‪.)Cuellar et al, 2004‬‬
‫تست منطقه شفاف (‪)Abou zeid, 2001 Belal, 2003;( )clear zone test‬‬
‫جذب‪:‬‬
‫جذب يك پديدة منحصر بفرد است كه در آن يك اتحاد واقعي از اتمهاي قطعات پليمريك‪ ،‬درون سلولهاي‬
‫ميكروبي وجود دارد‪.‬‬
‫بطور طبيعي‪ ،‬مولكولهاي جذب شده ممكن است نتیجه زوال زيستي و يا قطعه قطعه شدن زيستي‬
‫گذشته باشد‪.‬‬
‫در درون سلول‪ ،‬مولكولهاي انتقال يافته‪ ،‬از طريق مسير كاتابوليكي اكسيده ميشوند كه بسته به‬
‫تواناييهاي ميكروبي براي رشد در شرايط هوازي يا بيهوازي‪ ،‬منتهي به توليد آدنوزين تري فسفات‬
‫)‪ (ATP‬و عناصر تشكيل دهنده ساختار سلولي میشود‪.‬‬
‫راه های تخمين پدیده جذب‪:‬‬
‫جذب بطور کلی توسط متدهای تنفس سنجی استاندارد شده برآورد میشود ( ‪Krzan et al, ISO‬‬
‫‪ ،)14852‬که شامل اندازهگيری مصرف اکسيژن یا تصاعد ‪ Co2‬است (‪ .)Pagga, 1997‬کاهش اکسيژن‬
‫از طریق کاهش فشار ردیابی میشود (‪ . )Mossartdier-Nageotte et al, 2006‬شناسایی گازهای‬
‫متصاعد شده توسط ‪ GC‬به تحقق می انجامد‪ .‬این تکنیک برای تخمين تصاعد ‪ CO2‬نيز استفاده میشود‬
‫اما در بیشتر موارد‪ FTIR ،‬ترجیح داده میشود ( ‪Lefaux et al, 2004; Itavaara & Vikman,‬‬
‫‪ .)1995‬کمیت ‪CO2‬در 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 14‬است (‪ .)Rasmussen et al, 2004; Reid et al, 2001‬بهرحال‪ ،‬این‬
‫تست خطرناک و گران نیاز به اتاق آزمایشگاهی ویژه‪ ،‬تجهيزات خاص و تکنیکهای متوالی دارد و بعالوه‪ ،‬زمان‬
‫بر است‪.‬‬
‫مروری اجمالی بر مطالعات انجام شده در زمینه تجزیه زیستی پلی اتیلن و پلی‬
‫پروپایلن‪:‬‬
‫بدنبال تحقیقاتی که اخيرا در جهت بررس ی زیست تخریب پذیری پلی اتیلن (پالستیک) با کمک و استفاده‬
‫از میکروارگانیسم های مختلف صورت گرفته است‪ ،‬سویه های توانمندی شناسایی و معرفی شده اند‪.‬‬
‫بستتیاری از محققتتين نشتتان دادنتتد کتته پالستتتیک ستتاخته شتتده از مخلتتوط پلتتی اتتتیلن و نشاستتته‪ ،‬در ختتاک‬
‫‪ .)Swift,‬تلقت تتیح بت تتا‬
‫تخریت تتب پت تتذیر است تتت‪ ،‬امت تتا ایت تتن پروست تته بت تتی نهایت تتت آهست تتته پت تتیش ميت تترود (‪1993‬‬
‫میکروارگانیسم‪ ،‬میتواند این پروسه را در خاک تشدید کند‪.‬‬
‫‪ Buyukgungor‬در سال ‪ ،2000‬تاثير قارچ ‪Phanerochate‬‬
‫‪& Orhan‬‬
‫‪ chrysosporium‬سویه (‪ )ATCC 34541‬را در افزایش تخریب پذیری فیلم های پلی اتیلن مخلوط‬
‫با نشاسته (‪ )%12‬در محیط خاک ارزیابی کردند و با تلقیح نمونه های خاک با قارچ مذکور و اختالط نمونه‬
‫ها با فیلم های پالستیک پلی اتیلن‪ /‬نشاسته‪ ،‬در پی مقایسه نمونه های خاک تلقیح شده با قارچ‪ ،‬با نمونه‬
‫شاهد‪ ،‬یافتند که تخریب فیلم مخلوط پلی اتیلن‪ /‬نشاسته در خاک تلقیح نشده کمتر از خاک تلقیح شده با‬
‫قارچ‪ ،‬در طول یک دوره ‪ 6‬ماهه بود‪ .‬آنها نشان دادند که این قارچ‪ ،‬جزء اصلی فعال در میکروفلورای خاک‬
‫است‪.‬‬
‫ميزان ‪ CO2‬متصاعد شده از خاک تلقیح شده با این جدایه‪ ،‬افزایش تدریجی را طی ‪ 40‬روز نشان داد‬
‫)‪ )Gilan etal, 2004‬باکتری ‪ Rhodococcus ruber‬سویه ‪C 208‬را جداسازی کردند که‬
‫قادر به مصرف پلی اتیلن به عنوان تنها منبع کربن است‪ .‬این سویه‪ ،‬پلیاتیلن را با نرخ ‪ %86/0‬در 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 پالنکتونی شان میشوند ( ‪ )Stoodley etal, 2002‬و‬
‫اغلب یک توالی توسعه یافته تشکیل دهنده ساختارهای چند سلولی پیچیده (میکروکلونی) که توسط‬
‫شبکه ای از کانالهای آب احاطه میشود را نشان میدهند (‪.)Molin, & Nielson-Tolker, 2000‬‬
‫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 بين کمبود کربن و آبگریزی باکتری در تحقیقات‬
‫گذشته گزارش شده است (‪.)Sakharovski etal, 1999‬‬
‫مشخص شده که سطوح باکتریایی در محیط های فقير از نظر کربن نسبت به محیط های حاوی کربن‬
‫آبگریزتر و چسبنده تر میشوند و احتماال قابلیت دسترس ی پایين به منبع کربن در محیط کشت باکتری‬
‫رودوکوکوس روبر‪ ،‬که حاوی پلی اتیلن بعنوان تنها منبع کربن بود‪ ،‬تعامالت 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, 1991‬نيز توانایی گونه ‪ Phanerochate‬و استرپتومایسس تخریب کننده لیگنين را‬
‫در تجزیه ترکیبات پلی اتیلن در فیلم های مخلوط پلی اتیلن‪ /‬نشاسته گزارش کردند ‪.‬‬
‫‪ Hadad etal, 2005‬باکتری ترموفیلیک ‪ borstelensis Brevibacillus‬سویه ‪ 707‬را 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 ‪ 30‬روز تحت دمای ‪ 50‬درجه سانتیگراد‪ ،‬وزن ملکولی پلی اتیلن را ‪%11‬‬
‫کاهش داد‪ .‬به عالوه‪ ،‬این محققين‪ ،‬تاثير پیش تیمار اکسیداسیون نوری را نيز بر تخریب زیستی پلی اتیلن‬
‫بررس ی کردند و نشان دادند که پلی اتیلنی که قبل از تلقیح با باکتری‪ ،‬تحت اکسیداسیون نوری با ‪ U.V‬واقع‬
‫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 ميرسد‪.‬‬
‫یک اثر سینرژیستی بين اکسیداسیون نوری و‬
‫تخریب زیستی پلی اتیلن یافت شده است‬
‫(‪.)Albertsson etal, 1978‬‬
‫دلیل افزایش زیست تخریب پذیری پلی اتیلن در‬
‫پیش تیمار اکسیداسیون نوری‪ ،‬افزایش خاصیت‬
‫هیدروفیلیک سطوح آن به دنبال تشکیل گروه‬
‫های کربونیل طی اکسیداسیون نوری است که‬
‫میتوانند توسط میکروارگانیسم ها به مصرف‬
‫برسند ( ‪Cornell et al, 1984‬‬
‫‪.)Albertsson,1978, 1980,‬‬
‫(‪ ،)Kaczmarek etal, 2005‬تجزیه زیستی پلی پروپایلن ایزوتاکتیک حاوی ‪ 5-30‬درصد سلولوز را‬
‫همراه با پیش تیمار اکسیداسیون ‪ UV‬در خاک بررس ی کردند و تغیيرات ناش ی از تجزیه نوری و‬
‫بیولوژیکی را از طریق تست های کش ی و اسپکتروسکوپی ‪FTIR‬و تغیيرات مرفولوژی سطح را از‬
‫طریق میکروسکوپ الکترونی (‪ )SEM‬ارزیابی کردند و مشاهده نمودند که تجزیه زیستی و نوری‬
‫مخلوط پلی پروپایلن‪ /‬سلولوز در مقایسه با پلی پروپایلن خالص بسیار شدیدتر است و‬
‫آناليزهای ‪ FTIR‬و ‪ SEM‬دو تکنیک مفید برای تخمين تغیيرات سطح پلیمر در طول تجزیه می باشند‪..‬‬

similar documents