Биологическая деструкция полимеров

Под биологической деструкцией понимают взаимодействие полимеров с бактериями, грибами. При этом идет, как правило, гидролитическое ферментативное разложение полимеров. Поскольку ферменты огромны, то они не могут “залезть” в полимерную матрицу и биораспад полимеров идет с поверхности полимерного изделия.

В природной среде биодеструкции подвергаются практически все полимерные материалы, однако для большинства из них скорость разрушения чрезвычайно низка. Она зависит от природы полимера, а также вида пластификатора и наполнителя, используемых при изготовлении изделий. В естественных условиях полимеры, по структуре подобные природным (производные целлюлозы, хитина, модифицированный крахмал, полисахариды пуллулан и курдлан, полилактид, полигидроксибутират, полигликолактид и др.), относительно легко разлагаются и минерализуются микроорганизмами. Часть продуктов разложения таких полимеров вступает в реакции гумификации, образования связанных остатков с почвенным и другим природным веществом.

Непосредственно полимерные смолы, составляющие основу пластика, имеют различную биостойкость в зависимости от химической структуры макромолекулы, длины полимерной цепи, наличия и природы боковых разветвлений и групп, степени кристалличности полимера. Их биоустойчивость повышается по мере роста длины цепи и разветвленности макромолекул. Так, высокомолекулярный полиэтилен не поддается биодеструкции, а низкомолекулярный с М <25000 разрушается под воздействием грибов. Степень разветвленности влияет на стойкость больше, чем молекулярная масса полимера. При прочих равных условиях карбоцепные полимеры являются менее биостойкими, чем гетероцепные, алифатические быстрее разлагаются, чем ароматические, насыщенные – чем ненасыщенные, аморфные – чем кристаллические, гидрофильные – чем гидрофобные, низкоплавкие – чем высокоплавкие, нерегулярные – чем регулярные.

Способность полимеров к биодеструкции обычно определяют по стандартной методике, в которой деструкция оценивается ростом микроорганизмов по пятибалльной шкале (наиболее устойчивые пластики – оценка 0 баллов, наименее устойчивые – 4 балла).

 Биодеструкция изделий из синтетических полимеров может быть вызвана микроорганизмами различных систематических групп, относящихся к грибам и бактериям. Однако чаще всего в разрушении пластиков принимают участие смешанные ассоциации микроорганизмов, характеризующихся широким разнообразием.

Несовершенные микроскопические грибы (рр. Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Cladosporium, Fusarium) относятся к наиболее активным разрушителям пластиков, вызывающим различные повреждения и их деструкцию. Эти грибы используют в стандартных тестах на биоустойчивость. Повреждения пластиков происходят в результате разрастания грибов на поверхности материала, проникновения мицелия в его толщу через микротрещины, а также вследствие агрессивного воздействия ферментов и метаболитов грибов (органических кислот) на отдельные компоненты пластиков.

Среди гетеротрофных бактерий наибольшую активность при биодеградации проявляют стрептомицеты, микобактерии, нокардии, псевдомонады и бациллы.

Разрушение материалов под действием ферментов наступает вследствие различных реакций – окисления, восстановления, декарбоксилирования, этерификации, гидролиза и.т.д. Активное разрушающее действие оказывают ферменты – гидролазы (эстеразы, протеиназы), лиазы и особенно оксидоредуктазы.

Образование эстераз свойственно многим микроорганизмам. Эстеразы катализируют гидролитический разрыв эфирных, сложноэфирных, кислотноангидридных связей. С разрыва эфирной связи начинается разрушение пластификаторов. Образующаяся свободная кислота хорошо используется многими микроорганизмами в качестве источника углерода [12].

Защититься от биодеструкции можно с помощью покрытий и топографической стабилизации. Последняя заключается в том, что в приповерхностный слой полимерного образца из специального раствора диффундируют химикаты – добавки, которые в приповерхностном слое и на поверхности полимерного изделия создают охранную зону, с которой фермент не реагирует.

 

Заключение

Проблема старения полимеров и стабилизации их свойств является существенной частью полимерного материаловедения науки о создании полимерных материалов, их переработке, сохранении и регулировании их эксплуатационных свойств.

Старение полимеров это сложный комплекс химических и физических процессов, происходящих под влиянием окружающей среды, при их переработке, эксплуатации и хранении, приводящий к необратимым или обратимым изменениям (ухудшению) свойств полимеров.

Существует два типа стабилизаторов, которые замедляют старение путем препятствия развития окислительных реакций:

· Стабилизаторы, реагирующие со свободными радикалами уже на стадии их образования.

· Стабилизирующие вещества, которые не имеют способности к образованию свободных радикалов. При этом они замедляют разложение полимерных соединений.

· Еще один способ замедлить процесс старения полимера – изменить его физическую структуру. Применение такого способа подразумевает особую обработку полимерного материала – механическую или термическую. В отдельных случаях (в зависимости от вида и типа материала) в полимер вводят специальные добавки, изменяющие его химическую структуру – структурообразователи.

На сегодняшний день вопрос старения полимеров и поиск новых методов защиты от этого процесса занимает одно из важнейших мест в химической промышленности. Современные методы дают возможность существенно увеличить срок эксплуатации изделий из полимерных материалов, а также улучшить их качественные характеристики.

Список литературы

1. Ровкина Н.М., Ляпков А.А. Лабораторный практикум по химии и технологии полимеров. Ч.IV. Получение полимеров методом поликонденсации. - Томск: ТПУ, 2011. - 298 с.

2. Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И. Материаловедение: Учебник для вузов. 4-е изд, перераб. и доп. - СПбб.: ХИМИЗДАЬ, 2008. - 784 с.

3. Бовей Ф. Действие ионизирующих излучений на природные и синтетические полимеры; Издательство иностранной литературы - Москва, 2012. - 296 c.

4. Гейлорд Н., Марк Г. Линейные и стереорегулярные полимеры; Государственное издательство иностранной литературы - Москва, 2009. - 566 c.

5. Фрейзер А. Г. Высокотермостойкие полимеры; Химия - Москва, 2010. - 292 c.

6. Каллистер-мл. У. Д., Ретвич Д. Дж. Материаловедение. От технологии к применению (металлы, керамика, полимеры); Научные основы и технологии - Москва, 2011. - 902 c.

7. Киреев, В. В. Высокомолекулярные соединения: учебник: в 2 ч. Ч. 2. / В. В. Киреев. – Москва: Юрайт, 2016. – 243 с.

8. Волынский, А. Л. Стареют ли полимеры? / А. Л. Волынский // Природа. – 2016. – № 1. – С. 5-11.

9. Практикум по технологии переработки и испытаниям полимеров и композиционных материалов: учебное посо- 9 бие для студентов высших учебных заведений / [А. Н. Садова и др.]. – Москва: КолосС, 2011. – 189 с

10. Гросберг, А. Ю. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики / А. Ю. Гросберг, А. Р. Хохлов; пер. с англ. А. А. Аэрова. – Долгопрудный: Интеллект, 2010 (Чебоксары). – 303 с.

11. Свиридов, Е. Б. Книга о полимерах: свойства и применение, история и сегодняшний день материалов на основе высокомолекулярных соединений: учебное пособие / Е. Б. Свиридов, В. К. Дубовый. – Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического ун-та, 2015. – 546 с.

12. Гончарова, Е. П. Электрическое стимулирование биоразложения отходов полимерной упаковки / Е. П. Гончарова, Л. С. Пинчук // Экологический вестник России. – 2011. – № 2. – С. 42-44.