Отходы полимерных материалов, чрезвычайно медленно разлагающиеся в естественных условиях, являются серьезным источником загрязнения окружающей среды.
Особую опасность представляют пластмассовая тара разового использования, пленка и упаковочные материалы. Поэтому, наряду с решением проблемы увеличения срока службы пластмасс, разрабатываются и выпускаются специальные типы полимеров с регулируемым сроком службы. Отличительной особенностью этих полимеров является их способность сохранять потребительские свойства в течение всего периода эксплуатации и лишь затем претерпевать биологические и физико-химические превращения.
Большинство крупнотоннажных видов пластмасс (полиэтилен, полипропилен, полистирол, ПВХ) вследствие своей химической структуры и высокой молекулярной массы очень медленно разрушаются. Микроорганизмы почвы могли бы разрушать эти полимеры, если бы длинные макромолекулы полимеров были расщеплены на более короткие фрагменты.
Существует несколько подходов к созданию биодеструктируемых полимеров:
- создание фоторазрушаемых полимеров, которые благодаря присутствию в них специальных добавок способны разлагаться в естественных условиях до низкомолекулярных фракций, которые в дальнейшем разлагаются почвенной микрофлорой;
- разработка полимерных композиций, содержащих кроме высокомолекулярной основы органические наполнители, являющиеся питательной средой для микроорганизмов (крахмал, целлюлоза, пектин, амилаза и т.д.);
197
- создание полимеров, имеющих структуру, сходную со структурой природных полимеров;
- синтез полимеров может быть осуществлен методами биотехнологии.
Одним из направлений создания фоторазрушаемых полимеров является введение в полимерную цепь хромофоров, обеспечивающих абсорбцию полимерами УФ-света, вызывающего их деструкцию.
В настоящее время представляют интерес исследования, связанные с разработкой композиций, содержащих кроме высокомолекулярной основы органические наполнители, которые являются питательной средой для микроорганизмов. При этом помимо разрушения материала, связанного с уничтожением наполнителя бактериями, наблюдается эффект дополнительной деструкции, обусловленной особенностями структур наполненного полимера. Как известно, наполнитель может скапливаться в менее упорядоченных областях полимера. Кроме того, плотность упаковки макромолекул в граничных слоях системы "полимер-наполнитель" приблизительно вдвое меньше, чем в остальном объеме неупорядоченной фазы полимера. Поэтому при уничтожении наполнителя бактериями облегчается доступ микроорганизмов к менее стойкой по отношению к биодеструкции части полимера.
Любопытные факты
Американская фирма Warner - Lambert разработала первый полимерный материал Novolon, состоящий только из крахмала и воды и полностью биоразрушаемый. Этот полимер может перерабатываться традиционными методами и по механическим свойствам занимает промежуточное положение между полистиролом и полиэтиленом.
Фирмой Archer Daniels Midland (США) разработаны концентраты марки Polyclean на основе полиэтилена для получения биоразрушаемых пленок. Концентрат содержит 40 % крахмала и окисляющую добавку: количество крахмала в конечном продукте равно 5-6 %. Окисляющий компонент действует как катализатор не только на свету, но и в темноте. Деструкция крахмала облегчает доступ микроорганизмов и кислорода к поверхности полимера, т. е. наблюдается определенный синергический эффект.
Любопытные факты
Компания ICI Americas Inc производит термопластик, поддающийся естественному разложению. Он имеет свойства, сходные с полипропиленом. Это линейный полиэфир ( поли-3-гидроксибутирам-3-гидроксивалерат), который производится путем ферментации сахара с помощью бактерий Alcfligenes eutrophys. Разложение этого материала происходит под действием микроорганизмов, находящихся в почве, канализации и на дне водоемов.
198
В связи с тем, что традиционные источники сырья для синтеза полимеров ограничены, большой интерес представляют исследования, направленные на создание материалов, которые являются не только биоразрушаемыми, но и производятся из возобновляющихся биологических ресурсов. В основном это полимеры на основе крахмала, продукты бактериальной ферментации сахара, термопласты на основе животного крахмала с добавлением нефтехимических продуктов.
Сделать полимеры биоразлагаемыми можно также путем выведения специальных штаммов микроорганизмов, способных разрушать полимеры. Пока это направление увенчалось успехом только в отношении поливинилового спирта. Японские ученые выделили из почвы бактерии Pseudomonas, которые вырабатывают фермент, расщепляющий поливиниловый спирт. После разложения фрагменты полимера полностью усваиваются бактериями. Поэтому бактерии Pseudomonas добавляют к активному илу сточных вод для более полной очистки от этого полимера.
В связи с тенденцией роста в России объемов полимерных упаковок, сельскохозяйственных пленок и других материалов их утилизация после эксплуатации приобретает все возрастающее значение.
199