Утилизация полимеров с помощью микроорганизмов

Грибы, способные аэробно разрушать полимерные соединения, относятся к родам Phanerochaete возбудители «белой гнили».

Образцы полимера измельчают до частиц размером не более 5 мм. К навескам добавляют  стерильную синтетическую  питательную среду.

В приготовленную питательную среду вносят посевной материал, содержащий микроорганизмы.

Процесс биодеструкции проходит в анаэробных условиях; на начальной стадии с выделением газа, в дальнейшем - с потреблением выделенного газа.

Микроскопирование фрагментов полиэтиленовой пленки показало, что деструкция полиэтилена начинается в местах механического повреждения пленки.

Биополимеры

Полимеры, поддающиеся биологическому разложению, были разработаны несколько десятилетий тому назад, но их полномасштабное коммерческое применение разворачивалось очень медленно. Это происходило оттого, что они, в целом, были более затратными и имели менее устойчивые физические свойства, чем у традиционных пластмасс. Кроме того, не существовало достаточных стимулов для производителей изделий из пластмасс для того, чтобы включать биоразлагаемые материалы в свою продукцию.

Тем не менее, положение дел меняется. Новые крупномасштабные производственные системы снижают затратность производства биоразлагаемых полимеров, а усовершенствованные технологии полимеризации и смешивания делают эти материалы более прочными и износостойкими. Кроме того, производители пищевых продуктов и напитков, которые стремятся снискать благосклонность общественного мнения, выражающего все большую озабоченность вопросами экологии, начали использовать биоразлагаемые пластмассы для изготовления различной упаковки. В некоторых случаях, местные и национальные законы также стимулируют использование биоразлагаемых материалов.

В отличие от большинства пластмасс, биоразлагаемые полимеры могут расщепляться в условиях окружающей среды с помощью микроорганизмов, таких как бактерии или грибки. Полимер, как правило, считается биоразлагаемым, если вся его масса разлагается в почве или воде за период в шесть месяцев. Во многих случаях продуктами распада являются углекислый газ и вода. Любые другие продукты разложения или остатки должны исследоваться на наличие токсичных веществ и безопасность.

Биоразлагаемые полимеры могут производиться из возобновляемых источников, таких как извлеченные из кукурузы сахара, или же их можно получать из нефтехимических сырьевых материалов. Они могут использоваться сами по себе или же в сочетании с другими пластмассовыми смолами и добавками.

Биоразлагаемые полимеры можно перерабатывать с помощью большинства стандартных технологий производства пластмасс, включая горячее формование, экструзию, литьевое и выдувное формование.

Большинство биоразлагаемых пластмасс относятся к классу полиэфиров, хотя некоторые производятся из других материалов, таких как, например, модифицированный крахмал. Обладая хорошими механическими свойствами, ароматические полиэфиры, такие как полиэтилентерефталат (polyethylene terephtalate – PET), в то же время, устойчивы к микробному воздействию. Алифатические полиэфиры, напротив, значительно легче разлагаются, но они не обладают такой прочностью, какая свойственная ароматическим полиэфирам. Для того чтобы улучшить физические свойства алифатических полиэфиров, разработчики иногда добавляли другие мономеры к их молекулярным цепям, либо алифатические, либо ароматические.

Фоторазрушаемые полимеры

Большая часть разработанных в настоящее время полимеров с регулируемым сроком службы представляет собой фоторазрушаемые полимеры, которые благодаря присутствию в них специальных групп или соединений способны разлагаться в естественных условиях до низкомолекулярных полимеров (молекулярная масса 1000 и меньше), поглощаемых в дальнейшем микроорганизмами атмосферы и почвы. Как правило, для придания полимерам способности разрушаться под действием света используют специальные добавки или вводят в состав полимера молекулярные светочувствительные группы. Для того чтобы такие полимеры нашли практическое применение, они должны удовлетворять определенным требованиям:

• в результате модификации полимера не должны существенно изменяться его эксплуатационные характеристики;

• добавки, вводимые в полимер, не должны быть токсичными, поскольку полимеры предназначаются в первую очередь для изготовления тары и упаковки;

• полимеры должны перерабатываться обычными методами, не подвергаясь при этом разложению;

• необходимо, чтобы изделия, полученные из таких полимеров, могли храниться и эксплуатироваться длительное время при отсутствии прямых ультрафиолетовых лучей;

• время от изготовления полимера до его разрушения должно быть известно; необходимо его варьирование в широких пределах;

• продукты разложения полимеров не должны быть токсичными.

С точки зрения фотохимии возможность создания фоторазрушающихся полимеров обусловливается тем, что энергия диссоциации основной связи С —- С большинства полимеров составляет 350 кДж/моль, в то время как энергия естественных ультрафиолетовых лучей находится в пределах 400—600 кДж/моль. Однако эта энергия будет направлена на разрушение полимера лишь в том случае, если, во-первых, полимер способен поглощать свет с длиной волны 400--100 нм и если, во-вторых, поглощенная энергия передается другим молекулам таким образом, чтобы они претерпели химические превращения, в результате которых происходит деструкция.

Упаковочные полимеры с регулируемыми сроками службы стабильны внутри помещения, так как оконное стекло абсорбирует ультрафиолетовое излучение, способное вызывать деструкцию. Стойкость материала к действию солнечного света за стеклом толщиной 7 мм в 10 раз выше, чем на открытом воздухе.

Одним из наиболее известных способов создания фоторазрушаемых полимеров является введение в полимерную цепь группировок, содержащих карбонильные группы.

Действие полимеров на живые организмы

В производстве полимерных материалов используются самые разнообразные химические вещества, причем наряду с основными компонентами (мономерами) для их изготовления применяют различные добавки (наполнители, отвердители, катализаторы, пластификаторы, смазки, стабилизаторы и другие вспомогательные вещества).

Химические реакции, лежащие в основе образования полимеров, могут идти по типу полимеризации или поликонденсации. Характер неблагоприятного действия продуктов синтеза полимерных соединений на организм определяется в первую очередь токсичностью мономеров. Большинство из них, особенно используемых и выделяющихся в процессе поликонденсации, очень реактивные и биологически агрессивны. Производственный контакт с этими веществами может вызывать поражение кожи и слизистых оболочек, печени, органов дыхания, центральной нервной системы, индуцировать канцерогенез, отражаться на репродуктивной функции организма.

Неблагоприятное действие на организм оказывают и некоторые добавки, применяемые в производстве полимерных соединений. Их токсичность может быть даже более выражена, чем основного связующего. Использование при изготовлении пластмасс различных наполнителей, которые в основном представляют собой порошкообразные компоненты, нередко приводит к запылению воздуха рабочей зоны, что может сказываться на бронхолегочной заболеваемости работающих. Источником пылеобразования являются также стадии сушки, дробления просева некоторых полимеров.

Синтетические смолы. Смолами принято называть высокомолекулярные соединения, применяющиеся в производстве пластмасс (пленок и других полимерных материалов) и составляющие основу политур, лаков и клеев. Эпоксидные смолы (ЭС) получаются поликонденсацией эпихлоргидрина с дифенилпропаном (диановые смолы) или с резорцином и другими соединениями. ЭС широко используются в химической, радиотехнической, электротехнической, машиностроительной и других отраслях промышленности, для изготовления клеев, лакокрасочных покрытий, пропиточных материалов. Обычно они применяются в смеси с отвердителями: аминами (гексаметилендиамин и др.), фталевым, малеиновым ангидридом и другими веществами. Исходные продукты и ЭС обладают сенсибилизирующими свойствами и могут вызывать аллергические заболевания кожи (аллергический дерматит, экзема), реже - другие аллергозы, в частности бронхиальную астму. Гексаметилендиамин, подобно ЭС, вызывает сенсибилизирующие эффекты, а также оказывает неблагоприятное влияние на кровь и вегетативно-сосудистую регуляцию. Фталевому и малеиновому ангидридам присуще раздражающее действие на кожу, глаза, верхние дыхательные пути. Фталевый ангидрид, кроме того, может воздействовать на нервную систему, вызывая функциональные расстройства, а также проявлять себя как сенсибилизатор.

Фенолформальдегидные смолы. Эти смолы широко используются в различных отраслях промышленности для производства бакелита, политур, клеев, как пропиточное вещество в производстве стеклопластов и др. Фенолформальдегидная смола обладает выраженным сенсибилизирующим действием, особенно высокополимерная смола бакелит. При этом основным сенсибилизатором является формальдегид. Клинически сенсибилизация к перечисленным веществам проявляется развитием аллергического дерматита, экземы, реже других аллергозов (бронхиальная астма).

Дициандиамидформальдегидные смолы. Получаются эти смолы путем поликонденсации дициандиамида с формалином. Применяются как добавки к различным полимерам, при получении клеев, а также входят в состав замасливателей для текстильного стекловолокна. Оказывают воспалительное действие на кожу и являются сенсибилизаторами, вызывая дерматит и экзему. Контакт с замасливателями иногда приводит к функциональным нарушениям печени. Сенсибилизирующим действием, проявляющимся главным образом поражениями кожи, обладают также многие другие смолы, в частности дициандиамидоформальдегидуксусная смола (ДЦУ), входящая в состав замасливателей. Наиболее аллергизирующими являются смолы, получаемые путем поликонденсации, меньшими сенсибилизирующими свойствами обладают полимеризационные смолы. Клиническая картина поражений кожи, развивающихся от контакта с различными синтетическими смолами, в принципе идентична.

Пластмассы. Это большая группа синтетических материалов. Основой любой пластмассы является полимер (смола), который определяет свойства пластмасс, а часто и их наименование. Помимо полимеров, в пластмассы входят пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, антиоксиданты и некоторые другие вещества. Наполнители представляют собой большей частью порошкообразные компоненты, получение и применение которых может сопровождаться пылевыделением. К ним относятся молотая смола, кварц, древесная мука, кизельгур, каолин, тальк, сажа; волокнистые и слоистые материалы: хлопок, асбест, текстильные очесы, стекловолокно, стеклоткань, слюда, хлопчатобумажные ткани. Пластификаторами являются камфора, стеарат алюминия, касторовое масло, диэтилфталат, дибутилфталат, эфиры себациновой кислоты, хлорированные нафталины, трикрезилфосфат. Изготовление изделий из пластмасс производится путем смешивания смоляной части композиции с наполнителями и пигментами. Переработка пластмасс в изделия происходит чаще всего при высокой температуре либо литьем под давлением, либо горячим прессованием. Готовые изделия подвергаются механической обработке, что может сопровождаться выделением пыли.

Наиболее распространенными являются следующие пластмассы.

Полиэтилен - продукт цепной полимеризации этилена, применяется в различных отраслях промышленности, из него изготовляют множество изделий, в том числе трубы, детали, пленки и другие материалы. Профессиональных заболеваний в производстве полиэтилена не известно.

Поливинилхлорид является хлорпроизводным этилена. Используется для изготовления множества изделий, в том числе пластиката, в который входят пластификаторы (трикрезилфосфат, фталаты, себацинаты и др.). В производстве полихлор производных этилена наиболее вредным действием обладает хлорвинил, возможно действие пыли стабилизатора (свинцового глета), пластификаторов, в том числе таких, как трикрезилфосфат, реже галовакс, савол. Не безразлично и действие самой пыли полихлорвиниловой смолы. В производстве полихлорвинила при неблагоприятных условиях труда могут иметь место профессиональные интоксикации. Наиболее типичной является «винилхлоридная болезнь», представляющая собой своеобразный синдром, в основе которого лежит системное поражение соединительнотканных элементов.

Патогенез винилхлоридной болезни связывают с поражением глубинных структур мозга и в первую очередь ретикулярной формации. Стаж работы у заболевших колеблется от 1 года до 10 лет и более в зависимости от степени загрязнения воздушной среды. В особо неблагоприятных условиях воздействия высоких концентраций винилхлорида может возникнуть острое отравление (исключительно аварийные случаи) с глубоким наркозом. При концентрациях, близких к субнаркотическим, появляются эйфория, головокружение, тошнота, нарушение координации, сонливость. Хроническая интоксикация характеризуется разнообразием жалоб: головная боль, сонливость, сменяющаяся бессонницей, зябкость и парестезии в дистальных отделах конечностей, онемение пальцев, слабость в кистях. Наблюдаются синдром Рейно, вегетативно-сосудистые кризы, в частности колебания артериального давления. Вегетативно-сосудистая дистония часто сочетается с нарушением трофики, преимущественно в кистях рук с уплотнением кожи по склеродермическому типу и остеолизом ногтевых фаланг, кистозными просветлениями в структуре их костной основы, диффузным остеопорозом дистальных отделов конечностей или чаще остеосклерозом. Наряду с этим возможны нарушения терморегуляции с гипертермическими кризами, церебральные нарушения с разной степенью астенизации, эмоциональной неустойчивостью, нарушением памяти, реже неврозоподобным и даже астеноорганическим синдромом вплоть до энцефалопатии. Особенно часто у больных развиваются токсические полиневриты. Со стороны внутренних органов иногда наблюдаются боли и неприятные ощущения в области сердца, функциональные нарушения печени, лейкоцитоз, моноцитоз и эозинофилия, ретикулоцитоз, тенденция к эритроцитозу.