Biodegradácia polymérov

Biodegradácia polymérov je špeciálnym prípadom degradácie, pri ktorom dochádza k biologickému rozkladu polymérnych materiálov pôsobením biologických činiteľov, najmä pôsobením mikroorganizmov. Mnohé plasty nie sú biologicky rozložiteľné, takže po ukončení používania ostávajú v prírode až tisíce rokov, čo môže mať negatívny vplyv na životné prostredie. V posledných rokoch preto vzniká veľký tlak na vývoj materiálov a predovšetkým polymérov, ktoré by nahradili klasické plasty a bude ich možné rozložiť v prírode, prípadne na vývoj nových spôsobov ich rozkladu.

Proces 
Biodegradovateľné syntetické polyméry patria medzi materiály, ktoré sú vo vhodnom prostredí plne biologicky rozložiteľné na CO2, H2O, biomasu a anorganické zlúčeniny. Degradácia je výsledkom pôsobenia mikroorganizmov ako sú baktérie, huby, kvasinky, riasy a pod. Takto rozložené materiály nezanechávajú v prostredí žiadne toxické latky ani vizuálne pozostatky.

Počas biodegradácie polymérov dochádza k degradačným procesom, ktoré sú spôsobené pôsobením živých mikroorganizmov. Výsledkom je čiastočná alebo úplná deštrukcia polyméru, môže dôjsť až k úplnej metabolickej premene na nízkomolekulové produkty. Pre mikroorganizmy (baktérie, riasy, huby) je polymér možný zdroj organických látok (jednoduchých monosacharidov, aminokyselín a pod.), ktoré sú im zdrojom energie a živín. Hlavné typy reakcii sú hydrolýza a oxidácia, ktoré vedú až k tvorbe CO2, vody a biomasy. Biodegradácia polymérov prebieha v dvoch stupňoch:

 Rozklad začína fragmentáciou, t.j. dochádza k rozpadu materiálu na fragmenty. Polymér následne degraduje mechanizmom trhania reťazcov, čoho výsledkom sú menšie molekuly (oligoméry, diméry, monoméry). Fragmentácia môže byť spôsobená vplyvom prostredia (kyslík, slnko a UV žiarenie, mechanické namáhanie, voda, teplo...) alebo sa na nej podieľajú biologické systémy (adsorpcia mikróbov na povrch plastu). Skrátenie polymérnych reťazcov vedie k zmenám mechanických vlastností ako pevnosť v ťahu, húževnatosť a pevnosť v ohybe. Uplatňujú sa efekty degradácie, zníženie pevnosti a rýchly rozklad materiálu.
 Následne dochádza k asimilácii, kde malé čiastočky vstupujú do buniek baktérii a spracujú polyméry do biomasy (napr. sacharidov). 
 Ďalej nastáva mineralizácia , kde sa rozkladá polymér pomocou mikroorganizmov až na úroveň vody, oxidu uhličitého (teda na malé anorganické molekuly) a prípadne metánu. Polymér slúži pre mikroorganizmy ako zdroj živín a energie. Plast môže podliehať rozkladu aeróbne alebo anaeróbne. Oxid uhličitý a voda sú produkované počas aeróbnej biodegradácie; metán spolu s vodou sa tvoria počas anaeróbnej biodegradácie. Niektoré polymérne materiály sú aeróbne biodegradované vo voľnej prírode, anaeróbne v sedimentoch a podzemných skládkach odpadu a súčasne čiastočne aeróbne a čiastočne anaeróbne v kompostoch a v pôde.

S biodegradáciou súvisí pojem biomineralizácia, prostredníctvom ktorej je organická hmota premenená na minerálne zlúčeniny.

Úplná biologická odbúrateľnosť zložiek obalu musí byť preukázaná laboratórnymi testami: limitná hodnota sa rovná 90% úplnej premeny zložiek na CO2 a vodu. Nebiologicky rozložiteľné zložky/prísady sú povolené v obmedzenej koncentrácii: <1% pre každú zložku. Celkovo najviac 5% pre súčet rôznych biologicky neodbúrateľných zložiek. Nebiologicky rozložiteľnými zložkami/aditívami sú napríklad pigmenty, farbivá, lepidlá, živice a chemikálie na povrchové úpravy či nátery. Takisto sem patria ťažké kovy a fluór v medziach obalov. Absencia akýchkoľvek ekotoxických účinkov na klíčenie semien a rast rastlín je takisto jednou z podmienok. Biodegradovateľnosť nezávisí od obnoviteľnosti suroviny, z ktorej je materiál vyrobený, súvisí iba s jeho štruktúrou. Biodegradovateľné polyméry sú v súčasnosti modernou náhradou konvenčných plastov, avšak ich ekologicky výhodné vlastnosti sa prejavujú iba vo vhodne zvolenom prostredí, ktoré v praxi často nie je dosiahnuteľné. Vplyvnými faktormi sú napríklad teplota, pH alebo prítomnosť mikroorganizmov a katalyzátorov.

Mechanizmy 
Existujú dva mechanizmy biodegradácie: hydro-biodegradácia a oxo-biodegradácia.  

 Hydro-biodegradácia pozostáva z hydrolýzy a následnej oxidácie. Tento proces je významný pre hydrofilné prírodné polyméry, ako sú celulóza, škrob a polyestery. 
 Oxo-biodegradácia, rozklad pôsobením kyslíka, prevláda u ostatných prírodných polymérov, napríklad gumy alebo lignínu.

Syntetické polyméry sa za bežných podmienok nerozkladajú, ale niektoré štúdie ukázali, že je možná biodegradácia pomocou termálnej peroxidácie katalyzovanej prechodnými kovmi, ktorú umožňujú mnohé termofilné mikroorganizmy. Tieto organizmy sa zbierajú na povrchu polyméru a následne poškodzujú jeho povrch, takže sa plast ľahko rozpadne pod miernym tlakom.

Kompostovateľnosť 
Kompostovateľnosť polymérov spočíva v spracovaní materiálu v aeróbnych podmienkach (prítomnosť kyslíka), kde je materiál premieňaný prostredníctvom mikroorganizmov vyskytujúcich sa v prírode na oxid uhličitý, vodu a kompost (hnojivo). Počas priemyselného kompostovania môže teplota vo vnútri kompostu dosiahnuť až 70 °C. Kompostovanie prebieha vo vlhkom prostredí a trvá týždne až mesiace (maximálne však 6 mesiacov). Biodegradovateľný plast nie je nevyhnutne kompostovateľný plast (môže podliehať biodegradácii počas dlhšej doby či rozdielnych podmienok), zatiaľ čo kompostovateľný plast je vždy biodegradovateľný plast. Domáce kompostovanie sa líši od priemyselného kompostovania nižšou teplotou kompostu.

Počas kompostovania dochádza k vylučovaniu exoenzýmov prítomnými mikroorganizmy, ktoré rozkladajú prítomný plast.

Plastový materiál sa musí špeciálne testovať, aby sa potvrdila jeho kompostovateľnosť v podmienkach domáceho kompostovania.

Greenwashing 

Greenwashing je pojem označujúci podávanie zavádzajúcich informácií ohľadne pôsobenia látok či procesov na životné prostredie. V prípade biodegradácie plastov môže ísť napríklad o pomenovanie oxo-degradujúcich polymérov ako biodegradovateľných. 

Počas oxo-degradácie sa vďaka prídavku pre-oxidujúcich látok (prímesi do polymérov s obsahom kovov, najčastejšie katióny Mn do polymérnej zmesi daný plastový výrobok rozpadá pôsobením vonkajších vplyvov (žiarenie, okolitý kyslík, teplo, mechanické namáhanie na častice voľným okom neviditeľné, vďaka čomu dochádza k falošnej ilúzii, že materiál sa rozložil. Takýmto typom polyméru môže byť akýkoľvek aj syntetický polymér bez akejkoľvek schopnosti biodegradácie, do ktorého je počas výroby pridané vhodné aditívum, nastavujúce jeho životnosť v závislosti od množstva prídavku. V skutočnosti sa však len rozpadol (fragmentoval) na mikročastice, ktoré sú v mnohých prípadoch pre prostredie oveľa nebezpečnejšie. Dochádza k ich vdychovaniu či požívaniu a následnému hromadeniu v živých organizmoch.

Tieto mikrokúsky plastov sú príliš veľké na to, aby boli baktériami či inými mikroorganizmami spracované, a príliš malé na manuálne pozbieranie, preto sa v prírode a ovzduší len hromadia, kde spôsobujú vážne problémy živočíchom a životnému prostrediu. Výroba a používanie takýchto typov plastov je v krajinách Európskej únie zakázaná alebo prísne limitovaná. Príkladom takýchto výrobkov boli napríklad polyetylénové nákupné tašky, falošne prezentované ako 100% degradovateľné (v niektorých prípadoch dokonca biodegradovateľné) a nezávadné pre prírodu.

Referencie

Zdroje 
 PAPERBIOPACK.eu
 nonoilen.com
 MIKOVÁ, G. – CHODÁK, I. 2006. Vlastnosti a modifikácia Poly(3-hydroxybutyrátu). In Chemické Listy. 2006, vol. 100, p. 1075-1083
 RUDNIK, E. 2008. Compostable polymer materials -- definitions, structures and methods of preparation in Compostable Polymer Materials. Amsterdam: Elsevier, 2008. p. 10-36. ISBN: 978-0-08-0453712

Odpady
Polyméry