W ostatnich latach ludzie są coraz bardziej świadomi znaczenia środowiska ekologicznego i zdają sobie sprawę, że rozwoju gospodarczego nie można osiągnąć kosztem środowiska ekologicznego, ponieważ środowisko naturalne jest materialną podstawą przetrwania i reprodukcji człowieka oraz ochrony a poprawa środowiska naturalnego jest warunkiem przetrwania i rozwoju człowieka.
Według badań opublikowanych w raportach naukowych z 19 marca 2020 r. Otwieranie plastikowych opakowań (takich jak czekoladowe torby i butelki z tworzyw sztucznych) w codziennej pracy może wytwarzać niewielką ilość małych plastikowych cząstek o długości mniejszej niż 5 mm, a mianowicie mikroplastików.
Obecnie badania nie są jednoznaczne na temat ryzyka i możliwej toksyczności, jakie niosą ze sobą i tego, w jaki sposób są one wchłaniane przez ludzi, a kolejne badania są potrzebne dla ludzi.
Z powyższych badań wynika, że codzienne tworzywa sztuczne mogą przynosić mikro tworzywa sztuczne, które mogą być szkodliwe dla zdrowia. Istnieje jednak więcej kontrowersji na temat tworzyw sztucznych.
Dziś porozmawiamy o związku między plastikiem a mikroorganizmem, jednym z głównych zanieczyszczeń środowiska, i omówimy, jak wykorzystać mikroorganizm do rozwiązania problemu zanieczyszczenia tworzywem sztucznym. Mamy nadzieję, że niniejszy artykuł da inspirację odpowiednim branżom oraz praktykom naukowym i technologicznym oraz przypomni czytelnikom, aby zwracali uwagę na ochronę środowiska.
Zalety i wady tworzyw sztucznych
W latach pięćdziesiątych, wraz z nadejściem „epoki plastiku”, technologia budowlana uległa ogromnym zmianom. Rozwój przemysłu paliw kopalnych przyniósł szeroką gamę tworzyw sztucznych, od materiałów izolacyjnych przez materiały mechaniczne po powłoki, zmieniły się wszystkie rodzaje materiałów. Obecnie tworzywa sztuczne są wciąż wszechobecną częścią każdego elementu budynku.
To nie tylko architektura, to właściwie wszędzie plastik. Plastik można znaleźć w ubraniach, które nosimy, w domach, w których mieszkamy, oraz w samochodach, którymi jeździmy. Plastik można również znaleźć w oglądanym telewizorze, komputerach, których używamy i narzędziach, których używamy. Ludzie używają plastikowych produktów w różnych miejscach, aby uczynić życie wygodniejszym, bezpieczniejszym i przyjemniejszym.
Ale w rzeczywistości surowiec z tworzyw sztucznych pochodzi głównie z ropy naftowej lub gazu ziemnego, co spowoduje wiele problemów. Na przykład zasoby ropy naftowej są bardzo ograniczone. Na przykład w procesie wydobywania i rafinacji ropy naftowej bardzo łatwo jest spowodować zanieczyszczenie. Oprócz standardowych zanieczyszczeń powodowanych przez proces wydobycia i rafinacji, istnieje możliwość poważnych awarii ekologicznych, takich jak rozlew ropy na wybrzeżu Zatoki Perskiej w 2010 roku.
Z drugiej strony podczas produkcji tworzyw sztucznych uwalniane są toksyczne chemikalia. Wiele szkodliwych chemikaliów zostanie wyprodukowanych wraz z produkcją tworzyw sztucznych, a następnie nieuchronnie przedostanie się do naszego ekosystemu i zniszczy go przez wodę, glebę i powietrze. Wiele z tych chemikaliów to trwałe zanieczyszczenia organiczne, jedna z najbardziej destrukcyjnych toksyn na ziemi.
Co więcej, tworzywa sztuczne są trudne do degradacji. Niektóre plastikowe torby i butelki mogą przetrwać setki, tysiące, a nawet miliony lat bez degradacji, ponieważ większość mikroorganizmów w przyrodzie nie używa plastiku jako pożywienia, więc go nie rozkłada.
Jednak niedawno odkryte nowe mikroby mogą pomóc nam rozwiązać ten problem.
Nowe bakterie pomagają w degradacji tworzyw sztucznych
Polistyren jest kluczowym składnikiem jednorazowych produktów z tworzyw sztucznych, takich jak jednorazowe kubki, zastawa stołowa, zabawki i materiały opakowaniowe. Obecnie produkcja i zużycie polistyrenu w różnych gałęziach przemysłu gwałtownie rośnie, co stanowi duże zagrożenie dla środowiska, a niska wydajność utylizacji odpadów nasila ten problem.
Według statystyk Narodów Zjednoczonych na całym świecie produkuje się około 300 milionów ton odpadów z tworzyw sztucznych, z których tylko około 10% podlega recyklingowi. Szacuje się, że Indie zużywają około 16,5 miliona ton plastiku rocznie. AIPMA szacuje, że przemysł tworzyw sztucznych wytwarza około 14 milionów ton polistyrenu, z których wszystkie nie ulegają rozkładowi.
Niedawno premier Indii ogłosił, że do 2022 r. Jednorazowe produkty z tworzyw sztucznych nie będą już używane w Indiach, które stanowią jedną piątą codziennych produktów z tworzyw sztucznych, więc ta inicjatywa będzie miała ogromne znaczenie w Indiach.
Jednak ostatnio zespół Richy priyadarshini z SHIV nadar University w Grand Noida, Uttar Pradesh, Indie, odkrył dwa rodzaje „jadalnych plastikowych” bakterii z mokradeł w Grand Noida, które mogą stanowić alternatywę środowiskową dla rozwiązania kryzysu zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi.
Dwie bakterie wyizolowane przez zespół to exiguobacterium szczep dr11 i exiguobacterium undae szczep dr14. Badania pokazują, że mogą one rozkładać polistyren.
„Nasze dane pokazują, że ekstremofilne bakterie, exiguobacterium, mogą degradować polistyren i mogą być dalej wykorzystywane do zmniejszania zanieczyszczenia środowiska powodowanego przez tworzywa sztuczne”, powiedział priyadarshini
„Mokradła są jednym z najbardziej różnorodnych siedlisk mikroorganizmów, ale są stosunkowo niezbadane”, powiedział priyadarshini. Dlatego ekosystemy te są idealnymi miejscami izolowania bakterii dzięki nowym zastosowaniom biotechnologicznym. „
Polistyren ma wysoką masę cząsteczkową i długołańcuchową strukturę polimerową i ma dobre właściwości przeciwdziałające degradacji. Dlatego utrzymują się w środowisku, zgodnie z badaniami opublikowanymi w czasopiśmie RSC.
Zespół odkrył, że gdy dwie izolowane bakterie zetknęły się z plastikiem (polistyrenem), wykorzystały je jako źródło węgla i wykorzystały do wytworzenia biofilmu. Zmienia to właściwości fizyczne polistyrenu i rozpoczyna naturalny proces degradacji. Następnie bakterie mogą zniszczyć łańcuch polimeru, uwalniając hydrolazę.
Obecnie zespół próbuje ocenić proces metaboliczny tych szczepów w celu wykorzystania ich w bioremediacji środowiskowej.
„Kiedy prowadziliśmy badania naukowe na terenach podmokłych kampusu, przypadkowo znaleźliśmy bakterie w„ jadalnym plastiku ”- powiedział rupamanjari Ghosh, wiceprezes SHIV nadar University. Jest to stosunkowo idealne rozwiązanie do przełamania naturalnej degradacji tworzyw sztucznych i przeprowadzenia biodegradacji. „
Priyadarshini dodał: „Najpierw badaliśmy ten obszar, aby zrozumieć gatunki bakterii na tych obszarach, ale ostatecznie wyizolowaliśmy wiele gatunków bakterii o unikalnych zastosowaniach”.
Wskazała, że wraz z odkryciem nowych szczepów ulegających biodegradacji tworzyw sztucznych mogą zostać odkryte nowe enzymy i potencjalne szlaki metaboliczne, co przyczyni się do przyszłej bioremediacji.
Naukowcy wskazują, że obie bakterie mogą budować biofilmy na powierzchni polistyrenu. Biofilm to zbiór komórek bakteryjnych, w postaci społeczności agregującej, w celu osiągnięcia bardzo wysokiej gęstości komórek, co prowadzi do tego, że enzymy degradujące polimery odgrywają większą rolę.
Priyadarshini powiedział: „polistyren jest trudny do degradacji. Przed biodegradacją wymagana jest pewna forma obróbki wstępnej, taka jak chemiczna, termiczna i fotooksydacja”.
Dr11 i dr14 mogą nie tylko tworzyć biofilm na nietraktowanym polistyrenie, ale także degradować niemodyfikowane tworzywa sztuczne.
Priyadarshini powiedział także: „w ostatnich latach znacznie wzrosła zależność ludzi od produktów z tworzyw sztucznych, co doprowadziło do dużej akumulacji plastiku w środowisku i ma negatywny wpływ na ekosystem. Dlatego ludzie potrzebują zrównoważonych metod degradacji plastiku. „
Oprócz prób degradacji tworzyw sztucznych, wiele osób szuka nowych materiałów, które mogą zastąpić tworzywa sztuczne i je degradować.
Od lewej do prawej: Anne Schauer Gimenez, Allison pieja i Molly Morse z materiałów mango. Obok nich znajduje się biopolimerowy zbiornik fermentacyjny oczyszczalni ścieków w pobliżu zatoki San Francisco, który dostarcza bakteriom metanu, którego potrzebują do produkcji bioplastików. Źródło zdjęcia: Chris Joyce / NPR
Biopolimery zastępujące tworzywa sztuczne
Start-up w Dolinie Krzemowej próbuje wydobyć plastik z ubrania, a następnie dodać coś innego, biodegradowalny polimer, który zastępuje plastik.
Polimer jest cząsteczką o długim łańcuchu złożoną z wielu takich samych jednostek. Ten rodzaj materiału jest często bardziej trwały i elastyczny. Plastik to polimer wykonany z produktów ropopochodnych. Jednak w naturze często pojawiają się biopolimery, takie jak celuloza w drewnie lub jedwab jedwabników. Różnią się od tworzyw sztucznych tym, że można je rozkładać na substancje naturalne.
Molly Morse ma nadzieję na produkcję biopolimerów, które mogłyby zastąpić niektóre tworzywa sztuczne. Prowadzi małą firmę zwaną materiałami mango. Mango to jej ulubiony owoc. Ma nadzieję, że nazwa jej firmy będzie brzmieć inaczej niż inne firmy technologiczne w rejonie zatoki.
„Nie jesteśmy typowym startupem w Dolinie Krzemowej, produkujemy polimery w oczyszczalni ścieków, nie jesteśmy grupą ludzi kodujących w garażu” - powiedział Morse
Jak więc wytwarza bioplasty w oczyszczalni ścieków?
Morse powiedział, że zaczęło się, gdy była w szkole podstawowej. Poszła do akwarium i natknęła się na wystawę, symulację plastikowych śmieci unoszących się w oceanie.
Przypomniała sobie: „jest tam wielka ogromna ryba przypominająca strukturę z muszlami małży, podobnie jak piankowe tworzywa McDonalds. Byłam zaskoczona, całkowicie przestraszona. Ta wystawa zmieniła moje życie. Myślę, że to śmieszne. Chcę to zmienić”.
W rezultacie Morse realizuje swoje marzenie i uzyskał stopień doktora. w inżynierii środowiska z Uniwersytetu Stanforda. Na konferencji naukowej w 2006 roku poznała inną młodą inżynierkę, Anne Schauer Gimenez. „Nie sądzę, żebyśmy zaczęli rozmawiać o tym, jak to zrobić, do około 4 rano” - powiedział Schauer - Gimenez
Proces polega na wykorzystaniu bakterii do wytworzenia biopolimerów.
Niektóre bakterie są w stanie odżywiać się metanem i wytwarzać własne biopolimery, zwłaszcza jeśli dobrze je karmicie, będą wytwarzać i gromadzić więcej biopolimerów. „Jeśli przytyjemy zbyt dużą ilością lodów lub czekolady, tłuszcz w naszym ciele będzie się gromadził, podobnie jak bakterie” - wyjaśnia Morse
Aby wytwarzać biopolimery, bakterie potrzebują dużo jedzenia. Właśnie dlatego materiały z mango zbudowały miejsce w oczyszczalni ścieków o nazwie czysta woda w Dolinie Krzemowej w Redwood w Kalifornii, niedaleko zatoki San Francisco. Firma jest wspierana przez instytucje takie jak National Science Foundation.
Zanieczyszczenia w ściekach lub przynajmniej metan ze ścieków są pokarmem bakteryjnym. Oczyszczalnie zwykle spalają metan lub odprowadzają go bezpośrednio do powietrza. Metan jest silnym gazem cieplarnianym, gdy zostanie uwolniony do atmosfery, spowoduje globalne ocieplenie. Materiały z mango karmią je bakteriami.
Proces ten kończy się w zbiorniku fermentacyjnym, który znajduje się obok dużego stalowego zbiornika wypełnionego ściekami. Inżynier mango, Allison pieja, popisał się swoim wynalazkiem: wygląda jak duża beczka piwa z rurką, jak kropla w żyle. „Tu zdarzają się cuda” - powiedziała
„Ciągle dodajemy metan i tlen do fermentora i upuszczamy nasz„ sekretny sos ”do fermentora zgodnie ze sposobem rozwoju bakterii”, powiedziała Allison pieja, mikrobiolog z mango
„Tajny sos” to dodatek opracowany przez zespół w celu utrzymania tego procesu.
Ostatecznie, kiedy bakterie zostały utuczone, zespół otworzył fermentor, aby uzyskać biopolimery. Suszą i zamieniają w piłkę.
Do tej pory wysłali prawie 2000 funtów biopolimerów do zainteresowanych firm. Ich głównym rynkiem docelowym są tekstylia, chociaż twierdzą, że biopolimery można również stosować do pakowania.
Te biopolimery można wykorzystać do produkcji kolorowych nici jedwabnych, które wyglądają i przypominają „tworzywa sztuczne”, takie jak włókna poliestrowe. Mamy nadzieję, że ten biopolimer zostanie wpleciony w odzież, aby zastąpić tworzywa sztuczne w tekstyliach.
Rękaw ubrania wykonany z biopolimeru. Zespół Mango współpracuje z kilkoma firmami w celu przetestowania skuteczności swoich biopolimerów na tekstyliach. Źródło zdjęcia: Chris Joyce / NPR
Wady biopolimerów
Schauer-Gimenez powiedział, że takie ubrania ulegną degradacji, co przeraziło ludzi: „O rany, planujesz zrobić kostium kąpielowy z twoimi materiałami? Idę nad ocean, to mnie biodegraduje Ciało!” Odpowiedziałem: „Nie, Nie, to nie jest tak. '"
W celu degradacji biopolimery potrzebują odpowiedniej temperatury i odpowiednich bakterii do ich strawienia, a proces degradacji wymaga ciągłej ekspozycji przez tygodnie lub miesiące. Morse przyznaje, że potrwa to dłużej, jeśli warunki nie będą odpowiednie, na przykład na suchej pustyni w Arizonie lub na dnie oceanu.
Jest to jak dotąd wada biopolimerów, a pewna biodegradacja nie jest tak szybka, jak obiecali.
John Weinstein, profesor biologii na Castle University of South Carolina, umieścił torby wykonane z polimeru kukurydzy na mokradłach i stwierdził, że degradują się one wolniej niż zwykłe torby plastikowe. „Stworzyłeś nowy materiał, ale jak się on rozpadł? Byłem zaskoczony”, powiedział o bioplastikach.
„Chodzi o warunki środowiskowe” - powiedział Ramani Narayan, inżynier chemik i ekspert w dziedzinie bioplastików na Uniwersytecie Stanowym w Michigan. „Im dłuższa biodegradacja, tym dłużej będą istnieć odpady. W tym okresie będzie to miało poważny negatywny wpływ na środowisko. Wpływ, który wymaga starannego rozważenia”.
Zespół Mango Materials twierdzi, że ich materiałem jest biopolimer w postaci polihydroksyalkanianu lub PHA. W przeciwieństwie do większości biopolimerów, nie wymaga recyklingu. W odpowiednich warunkach będzie gotowy za miesiąc lub dwa. Może być biodegradowalny. Ich produkty są obecnie poddawane niezależnym testom, aby to potwierdzić.
Morse przyznaje, że pozostaje jeszcze wiele do zrobienia, aby utorować drogę biopolimerom. Namawiała ludzi, aby używali mniej plastiku i używali przedmiotów zamiast ich wyrzucać. Ale realizuje swoje marzenie z dzieciństwa - znaleźć coś lepszego niż plastik.
„Nie zrobimy tego, dopóki nie będziemy przekonani, że jest to rozwiązanie ogromnego globalnego problemu”.
Zanieczyszczenia tworzyw sztucznych: jak je rozwiązać?
Obecnie plastik jest nadal niezbędny w naszym życiu, ale z powodu jego powolnej degradacji doprowadził do serii zanieczyszczeń środowiska. Aby rozwiązać ten problem, musimy mieć możliwość recyklingu tworzyw sztucznych w naszym życiu.
Po drugie, wraz z rozwojem nauki i technologii ludzie mogą znaleźć sposoby na zmniejszenie zanieczyszczenia lub produkcję nowych biomateriałów zamiast tworzyw sztucznych z mikroorganizmów w naturze.
Bez względu na to, w którą stronę należy dbać o środowisko i rozwój człowieka.
