Biodegradacja

Biodegradacja (gr. bios- życie, łac. degradatio - obniżenie) - polega na biochemicznym rozkładzie związków organicznych na związki proste, dokonywanym przez organizmy żywe, tzw. saprobionty, do których zaliczyć można m.in. bakterie, grzyby, pierwotniaki, glony, promieniowce czy robaki. Do biodegradacji przyczyniają się również czynniki naturalne, takie jak: tlen, woda czy światło słoneczne. Biodegradacja jest procesem niezwykle złożonym, w skład którego wchodzi wiele reakcji chemiczno-biologicznych (M. Ściążko, s. 7).

Biodegradacja jest procesem, który występuje powszechnie, praktycznie we wszystkich biocenozach. Jest ona niezwykle ważna, ponieważ w jej wyniku złożone substancje zostają przetworzone w proste związki, które mogą zostać przyswojone przez rośliny. Dzięki temu zamknięty zostaje cykl biogeochemiczny większości pierwiastków (krążenie materii w ekosystemie).

Związki organiczne mogę być rozkładane tak w obecności tlenu, jak i w warunkach jego braku. Aeroby (organizmy tlenowe, tlenowce) dokonują rozkładu materii, wykorzystując do tego tlen. Anaeroby (organizmy beztlenowe, beztlenowce) wykorzystują do tego dwutlenek węgla, jony metali, azotany czy siarczany (A. Nawrot, s. 60-62). W przypadku biodegradacji związków naturalnych proces następuje bardzo szybko. Natomiast, jeśli chodzi o biodegradację tworzyw sztucznych, wyprodukowanych przez człowieka, to okres jej trwania może wynosić nawet kilka tysięcy lat (np. foliowa reklamówka może rozkładać się od 100 do nawet 1000 lat). Dlatego tak niezwykle ważne jest dbanie o środowisko naturalne i zmniejszanie jego zanieczyszczenia. Współcześnie, podejmuje się starania, aby zastępować tworzywa sztuczne i detergenty ich biodegradowalnymi substytutami (I. Stachurek, s. 76-79).

TL;DR

Biodegradacja to proces rozkładu związków organicznych przez organizmy żywe, takie jak bakterie, grzyby czy glony. Jest to ważny proces, ponieważ przyczynia się do zamknięcia cyklu biogeochemicznego pierwiastków. Biodegradacja może zachodzić zarówno w obecności tlenu, jak i w jego braku. Tworzywa sztuczne produkowane przez człowieka mogą ulec biodegradacji przez wiele tysięcy lat, dlatego tak ważne jest dbanie o środowisko naturalne i stosowanie biodegradowalnych substytutów. Proces biodegradacji ma zastosowanie m.in. w oczyszczaniu ścieków, produkcji biogazu czy oczyszczaniu gleb z produktów ropopochodnych. Istnieją różne metody pomiaru biodegradacji, a produkcja tworzyw biodegradowalnych jest regulowana prawnie w wielu państwach.

Warunki biodegradacji

Biodegradowalność to możliwość podlegania procesowi biodegradacji. Obecnie, jest to bardzo oczekiwana cecha, ponieważ odpady, które ją posiadają nie muszą być przez wiele lat składowane na wysypiskach śmieci, a w ten sposób zanieczyszczać środowiska. Żeby produkt (naturalny czy sztuczny) mógł zostać poddany procesowi biodegradacji musi być zlokalizowany w miejscu dostępnym dla saprobiontów, dokonujących rozkładu. Mikroorganizmy te potrzebują odpowiednich warunków środowiska, aby ulec aktywacji.

Woda jest niezbędna saprobiontom do życia, ponieważ mogą się w niej przemieszczać, pozwala im ona utrzymać odpowiedni odczyn i poziom ciśnienia osmotycznego, umożliwia wymianę związków chemicznych z otoczeniem: dyfuzję związków odżywczych do komórki i usuwanie szkodliwych produktów przemiany materii poza komórkę. Woda jest niezbędna mikroorganizmom do życia. Jeżeli jej ciśnienie poza komórką spada to tracą one możliwość jej wchłaniania do wnętrza, co z kolei hamuje ich wzrost.

Składniki odżywcze są konieczne, aby saprobionty mogły przeżyć. Muszą się one znajdować w ich otoczeniu, żeby mogły zostać przez nie wchłonięte. Saprobionty wykazują także wrażliwość na związki toksyczne, które mogą zaburzać ich funkcjonowanie. Kolejny ważny aspekt to skład chemiczny podłoża i jego odczyn. Ma to ogromne znaczenie, ponieważ określone reakcje chemiczne zachodzą tylko w konkretnych warunkach, jak na przykład odpowiednia temperatura, wilgotność, ph podłoża, aktywność enzymów przyspieszających reakcję.

Dla bakterii optymalnym ph pozostaje zakres od 4 do 9, dla grzybów od 4 do 6. Jak już wcześniej wspomniano, do saprobiontów zaliczamy zarówno tlenowce, jak i beztlenowce, dlatego procesy biodegradacji zachodzą w obu tych warunkach.

Aby nadać rozkładowi gleby tempa, należy umieścić w niej odpowiednie szczepy saprobiontów. Istnieje co najmniej kilka cech materiału rozkładanego, wpływających na szybkość rozkładu.

Są to przykładowo:

• grubość i kształt,
• struktura powierzchni,
• masa cząsteczkowa,
• krystaliczność,
• wiązania sieciujące,
• hydrofobowość,
• hydrofilowość.

Istnieje kilka metod przyspieszających biodegradację, polegających na wzmożeniu przyswajalności substancji niepożądanych przez mikroorganizmy, w wyniku dołączenia do łańcuchów polimerowych odpowiednich reszt, np. hydroksylowych albo estrowych (L. Berg, s. 144-147).

Biodegradowalne tworzywa sztuczne

Aby ograniczyć wycinkę drzew, przetwarzanych na opakowania papierowe, pracowano nad rozwiązaniem, które mogłoby zastąpić papier. Po wielu latach udało się osiągnąć zamierzony cel - rozpoczęła się produkcja tworzyw sztucznych, zwanych także polimerami syntetycznymi. Tworzywa sztuczne wydawały się doskonałym rozwiązaniem - były trwałe, odporne na warunki środowiska, a przede wszystkim wykazywały się wysoką użytecznością. Problem pojawił się w momencie, gdy zaczęły one zalegać jako śmieci. Stwierdzono wtedy, że rozwiązanie stanowi opracowanie tworzywa sztucznego, które jednakże będzie biodegradowalne.

Obecnie, produkcja tworzyw i materiałów biodegradowalnych jest w większości państw obostrzona prawnie. Kraje Unii Europejskiej przyjęły dyrektywę, wedle której wszystkie wytworzone materiały i tworzywa sztuczne podlegają kontroli i muszą spełniać określone wymagania, jak na przykład: odpowiedni skład chemiczny, poziom biodegadowalności czy ekotoksyczność.

Niektóre państwa posiadają również wewnętrzne systemy certyfikacji. Są to przykładowo: USA, Belgia czy Niemcy.

Polimery biodegradowalne wykorzystuje się przede wszystkim w masowej produkcji: opakowań, butelek, worków na śmieci, elementów wyposażenia wnętrz. Tworzywa sztuczne znalazły także zastosowanie w medycynie. Służą do produkcji: implantów, odzieży, opatrunków, kompresów czy pieluch (R. Malinowski, s. 104-105).

Biodegradacja polimerów syntetycznych

Biodegradacja tworzyw sztucznych składa się z dwóch etapów:

• etap 1 - rozerwanie tworzących polimer łańcuchów, wskutek czego ulega on "rozkruszeniu"; mniejsza masa cząsteczkowa i zmniejszona liczba rozgałęzień pozwala przeprowadzić mikroorganizmom prawidłowy proces biodegradacji;
• etap 2 - powstałe w pierwszym etapie oligomery zostają przetworzone na proste związki chemiczne, np. dwutlenek węgla, metan czy woda (J. Pająk, s.154-155).

Metody pomiaru biodegradacji

Tworzywa sztuczne wykazują zmienną podatność na biodegradację. Można przeprowadzić analizę procesu. Aby to zrobić, wybiera się próbki, które następnie są umieszczane w konkretnych podłożach i do których aplikuje się wybrane mikroorganizmy.

Jeżeli mamy do czynienia z biodegradacją tlenową to możemy przeprowadzić pomiar, posługując się testami respirometrycznymi. Wskaźnikiem intensywności procesu jest ilość wydzielanego dwutlenku węgla. Próbkę z saprobiontami i glebą umieszcza się w specjalnym pojemniku i poddaje napowietrzeniu. Wskutek "konsumpcji" materiału przez mikroorganizmy wydziela się, wspomniany wcześniej, dwutlenek węglą, którego ilość wskazuje poziom rozkładu.

Jeżeli zaś chodzi o biodegradację beztlenową to przeprowadza się ją w identyczny sposób, z tą różnicą że wskaźnikiem intensywności procesu jest metan, a nie dwutlenek węgla (K. Bajer, s. 14-16).

Zastosowanie biodegradacji

Proces biodegradacji ma zastosowanie w filtrach awaryjnych w biologicznych oczyszczalniach ścieków, jak również w stawach biologicznych, które wykorzystuje się do fermentacyjnego oczyszczania odpadów, pochodzących na przykład z cukrowni (I. Kania-Surowiec, s. 74-77).

Aby saprobionty mogły skutecznie przeprowadzić proces biodegradacji, muszą mieć zapewnione właściwe warunki, takie jak temperatura, dostęp tlenu lub jego brak, brak toksycznych substancji (detergentów, pestycydów). Biodegradację wykorzystuje się także do produkcji biogazu z odpadów i ze ścieków i biomasy paszowej ze ścieków (J. Kwaśny, s. 85-89).

Bioremediacja gleb

Proces biodegradacji wykorzystuje się także w bioremediacji, czyli oczyszczaniu gleb z produktów ropopochodnych, które przedostają się do nich w trakcie procesów wydobywczych czy różnych awarii. Niektóre węglowodory aromatyczne (związki cykliczne), takie jak: fenol, toluen, benzen, ksylen są związkami toksycznymi, przypisuje się im działanie kancerogenne. Oznacza to, obniżają one jakość wód gruntowych i powierzchniowych, a także wpływają negatywnie na produkcję roślinną.

Jeżeli proces biodegradacji przebiega prawidłowo, bez zakłóceń to prowadzi do prawie 100% redukcji zanieczyszczeń w zaledwie kilka tygodni, jednakże efektywność biodegradacji uzależniona jest od tempa, w jakim saprobionty przeprowadzają rozkład. Tempo to zależne jest od kilku czynników, jak na przykład: ilość mikroorganizmów, głębokość gruntu, wilgotność. W większości metod bioremediacyjnych wykorzystuje się biodegradację, jednakże dokonuje się intensyfikacji tego procesu poprzez dobór odpowiedniego zespołu mikroorganizmów, które rozkładają węglowodory naftowe. Można również zwiększyć dostępność węglowodorów naftowych dla mikroorganizmów, dzięki zastosowaniu środków powierzchniowo czynnych, zmniejszających napięcie powierzchniowe, emulgujących substancje liofilowe, a ostatecznie zwiększających powierzchnię wymiany i rozpuszczalność.

Wyodrębnić można trzy podstawowe rodzaje bioremediacji gleb:

• bioremediacja naturalna - opiera się na kontrolowaniu stężenia zanieczyszczeń, które eliminowane są przez rodzime mikroorganizmy,
• biostymulacja - polega na dostarczaniu mikroorganizmom niezbędnych składników odżywczych, co z kolei prowadzi do rozrostu kolonii i zwiększenia aktywność; jest najczęściej stosowaną metodą,
• bioaugementacja - działa w oparciu o wprowadzenie do środowiska właściwych saprobiontów, często genetycznie modyfikowanych.

Istnieją dwie metody bioremediacji gruntów:

• in situ - bioremediację przeprowadza się w miejscu skażenia (bioekstrakcja, biowentylacja, uprawa gleb),
• ex situ - bioremediację przeprowadza się po wcześniejszym ulokowaniu gleby w specjalnie przysposobionym do tego miejscu (biostosty, kompostowniki, bioreaktory, uprawa gleby).

Do procesu tego w głównej mierze wykorzystuje się bakterie tlenowe (Mycobacterium, Corynebacterium, Pseudomonas), cechujące się dużą liczebnością, szybkim tempem wzrostu i zdolnością degradacji różnych zanieczyszczeń. Używają one węglowodorów naftowych jako źródła węgla i energii, które są im konieczne do prawidłowego wzrostu i rozmnażania (J. Nowak, s. 98-102).

Biodegradacja — artykuły polecane

Recykling tworzyw sztucznych — Liofilizacja — Pieczywo — Fracking — Biokatalizatory — Koagulacja — Klarowność — Czujnik — Fermentacja

Bibliografia

• Bajer K. (2007), Metody badania biodegradacji materiałów polimerowych, Polimery, nr 1
• Berg L. (red.) (2011), Biologia, Wydawnictwo Multico, Warszawa
• Garbacz T. (2012), Opakowania biodegradowalne z tworzyw polimerowych, Przetwórstwo Tworzyw, nr 6
• Kania-Surowiec I. (2013), Złoża biologiczne w oczyszczaniu ścieków z recyklingu tworzyw sztucznych, Inżynieria Ekologiczna, nr 32
• Kwaśny J. (red.) (2012), Przegląd technologii produkcji biogazu różnego pochodzenia, Czasopismo Techniczne. Chemia, nr 17
• Malinowski R. (2008), Polimery biodegradowalne, Teka Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn, Elektrotechniki, Budownictwa, nr 2
• Nawrot A. (2012), Encyklopedia Biologia, Wydawnictwo GREG, Kraków
• Nowak J. (2008), Bioremediacja gleb z ropy i jej produktów, Biotechnologia, nr 1
• Pająk J. (red.) (2008), Biodegradacja wybranych polimerów syntetycznych, Problemy Ekologii, nr 13
• Stachurek I. (2012), Problemy z biodegradacją tworzyw sztucznych w środowisku, Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Zarządzania Ochroną Pracy w Katowicach, nr 1
• Ściążko M. (red.) (2007), Przewodnik metodyczny: procedury bilansowania i rozliczania energii wytwarzanych w procesach współspalania, Wydawnictwo Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla i Towarzystwa Gospodarczego Polskie Elektrownie, Warszawa

Autor: Agnieszka Gałka