تخریب پلاستیک و پیامدهای زیست محیطی

تخریب پلاستیک و پیامدهای زیست محیطی آن با اشارۀ ویژه به پلی اتیلن ترفتالات PET

با افزایش مصرف جهانی پلاستیک و مقاومت طبیعی آنها در برابر تجزیه، تجمع آنها در محیط زیست بسیار نگران کننده است. هدف از این مطالعه، ارائه یک نمای کلی از وضعیت فعلی دانش در زمینه هایی است که به زیست تخریب پذیری پلیمرها بویژه پلی اتیلن ترفتالات PET مربوط می شود. همچنین، این مطالعه شامل یک طرح کلی از مشکلات مرتبط با آلودگی پلاستیک در محیط زیست دریایی، توصیف خواص، تولید تجاری و تجزیه پذیری PET، مروری بر پتانسیل زیست تخریب پذیری پلیمرهای معمولی و پلیمرهای زیست تخریب پذیر در حال تولید می شود.

با توجه به انعطاف پذیری پلاستیک در برابر تجزیه و تکثیر آن در صنعت، موضوع آلودگی پلاستیک به یک تهدید برای اکولوژی جهانی تبدیل شده است. آلودگی پلاستیک هم از منابع زمینی و هم از منابع دریایی ناشی می شود. جریان مداوم پلاستیک های آلاینده از دو روش عمدآ و سهوآ حفظ می شود: روش عمدی تخلیۀ غیرقانونی و نامناسب زباله های خانگی و صنعتی است، روش سهوی هم ضایعات استاتیک و حمل و نقل ضعیف است. زباله های پلاستیکی در خشکی با هدایت عناصر به آبراهه ها منتقل شده و در آنجا با پسماندهای کشتی ها و سکوهای نفتی فراساحلی ادغام می شوند. چنین آلودگی هایی بدون شک پیامدهای زیان بار متعددی به همراه خواهند داشت.

در طول ده سال گذشته با تأکید بیشتر و بیشتر بر توسعه پلیمرهای زیست تخریب پذیر جدید، که برخی از آنها در جدول زیر ارائه شده اند، زیست تخریب پذیری پلاستیک های سنتی نادیده گرفته شده است.

جدول 1:

امروزه، بسیاری از پلیمرهای زیست تخریب پذیر، مصنوعی و طبیعی، وجود دارند اما با این حال، دو مانع اصلی نیز برای ادغام آنها در کاربردهای فعلی بر پایه پلاستیک، افزایش هزینه های تولید و خواص پایین مواد همچون مقاومت کم وجود دارد. هزینه های تولید را می توان از طریق توسعه مستمر پروتکل های تولید و افزایش کارایی به حداقل رساند اما تحقیقات گسترده ای برای تولید پلیمرهای زیست تخریب پذیر با خواص فیزیکی قابل مقایسه با پلاستیک های معمولی همچنان ضرورت دارد. صرف نظر از این پیشرفت های حاصل شده در زمینه پلاستیک های زیست تخریب پذیر، چندین استراتژی ها برای توسعۀ آنها نیز ارائه شده است. یکی از روش های تولید پلاستیک زیست تخریب پذیر، تولید مواد بر پایۀ پلاستیک های معمولی با قابلیت زیست تخریب پذیری بیشتر، بدون حذف خواص مواد است. برای مثال، پلیمرهایی با گروه های عامل اضافی روی زنجیره های پلیمری هم از طریق تیمار پس از پلیمریزاسیون و هم از طریق پلیمریزاسیون با مونومرهای عامل دار معادل تولید شده اند. دلیل این کار، ایجاد فرصت های بیشتری برای آنزیم های میکروبی به منظور حمله به زنجیره های پلیمری است. با این حال، تجزیۀ زیستی این پلیمرها هنوز نسبتآ محدود است و برای اینکه تجزیه صورت بگیرد، به انرژی ورودی قابل توجهی بویژه برای مواد تیمار شده پس از پلیمریزاسیون نیاز است. نرخ تجزیۀ بهتر در صورت تولید کوپلیمرهای بلوکی پلاستیک های معمولی با مولکول های پلیمری قابل هیدرولیز آسان حاصل می شود؛ برای مثال نشاسته، اسید لاکتیک، اتیلن گلیکول و کاپرولاکتون. متأسفانه، این نوع پلیمرها بطور قابل توجهی دوام کمتری نسبت به اکثر پلاستیک های معمولی دارند و در بسیاری از موارد، مشخص نیست که آیا این پلیمرها واقعآ زیست تخریب پذیر هستند یا فقط به قطعات کوچکتر تجزیه می شوند. توسعه پلاستیک براساس مولکول های بیولوژیکی یک حوزۀ تحقیقاتی قابل توجه بوده است. پلیمرها بطور کامل یا نسبی بر پایۀ نشاسته، اسید لاکتیک، کاپرولاکتون، پروتئین ها، استات سلولز و دیگر پلی ساکاریدها تولید شده اند و در بسیاری از موارد، مقاومت مکانیکی آنها از طریق افزودن روان کننده، نانوذرات یا با کنترل دقیق شرایط تولید بهبود یافته است. یکی از مهم ترین گروه های بیوپلیمری، پلی (هیدروکسی آلکانوات ها) (PHAs) است؛ PHA مواد پلیمری هستند که بطور طبیعی توسط بسیاری از باکتری ها و برخی آرکی ها تولید می شوند که می توانند به اشکال مختلف برای بسته بندی، پوشش ها و کاربردهای زیست پزشکی پردازش شوند. ساختار کلی PHA در شکل زیر ارائه شده است.

شکل 1:

PHA ها بصورت تجاری از طریق تخمیر باکتریایی تولید می شوند، مقادیر آن به دلیل هزینه های بالای تولید در مقایسه با پلاستیک های معمولی و عدم کاربردهای با ارزش تا حدودی محدود است. تولید کنندگان توانسته اند با استفاده از مواد غذایی ارزان تر برای متابولیسم های باکتری ها، هزینه ها را تا حدودی کاهش دهند. PHA ها را می توان از مواد زائد مانند آب پنیر، گندم، سبوس برنج، ملاس، روغن نباتی و حتی دی اکسید کربن تولید کرد. با این حال، مانع اصلی روش استخراج برای بازیابی پلیمر است. روش های استخراج شامل استخراج با حلال، هضم شیمیایی، عملیات آنزیمی، اختلال مکانیکی، اختلال در سیال فوق بحرانی، شناورسازی، تابش گاما و سیستم های دو فازی می شود. بنابراین، تاکنون هیچ تکنیک استخراج ارزان قیمتی ابداع نشده است که به PHA ها اجازۀ رقابت واقعی با پلاستیک های معمولی در بازار را بدهد. علیرغم مطالعات گستردۀ انجام شده در زمینۀ توسعه پلیمرهای زیست تخریب پذیر، بعید به نظر می رسد که هر پلیمر در صورت قرار گرفتن در معرض تجزیه محیطی قابل ملاحظه، بتواند از نظر خواص و کاربرد گسترده با پلاستیک های مصنوعی معمولی رقابت کند. دلیل محبوبیت پلاستیک های معمولی در طیف وسیعی از کاربردها مقاومت فیزیکی و شیمیایی آنها است که همچنین این خواص را می توان دلیل اصلی در عدم زیست تخریب پذیری آنها هم دانست. در نهایت، هرگونه تلاش برای افزایش میزان زیست تخریب پذیری به احتمال زیاد خواص فیزیکی مواد را به خطر می اندازد. با این حال، با توجه به کاربرد مورد نظر امکان مقایسۀ مورد به مورد بین تجزیه پذیری و مقاومت وجود دارد.

تجمیع پلاستیک بویژه در اقیانوس ها، نگرانی های زیست محیطی فزاینده ای وجود دارد. یکی از مؤلفه های اصلی زباله های پلاستیکی پلی اتیلن ترفتالات PET است؛ پلیمری که اغلب در بسیاری از کاربردها من جمله منسوجات و بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود. PET در برابر تجزیه زیستی بسیار مقاوم است و بنابراین، نگرانی های زیست محیطی بسیاری در ارتباط با انباشت آن من جمله جذب و غلظت آلاینده های محیطی، تهدید محیط زیست دریایی و انتشار گونه های بالقوۀ مهاجم در محیط های جدید ایجاد می کند. تا به امروز، تنها سه روش دفع پلاستیک دفن زباله، سوزاندان و بازیافت بطور معمول در مقیاس بزرگ مورد استفاده هستند. هر تکنیک از مزایا و معایبی نیز برخوردار است. دفن زباله و سوزاندن هر دو منجر به انتشار آلاینده های ثانویۀ خطرناک در محیط می شوند؛ دفن زباله همچنین دارای یک نقص عمده است و آن اینکه به فضای زمین بیشتری نیاز دارد. بازیافت نگرانی های زیست محیطی مربوط به دفن زباله و سوزاندن را برطرف می کند؛ با این حال، این فرایند نسبتآ ناکارآمد است و کاهش کیفیت پلیمر تولید شده یک عامل محدود کننده محسوب می شود. از طرفی، این فرایند از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است و متعاقبآ انگیزۀ کمتری برای سرمایه گذاری در تأسیسات بازیافت وجود دارد. تجزیه زیستی یک گزینۀ مناسب برای دفع زیست سازگاری زباله های پلاستیکی است. تا به امروز، هیچ پروتکلی برای تجزیۀ زیستی PET در مقیاس تجاری ابداع نشده است. اگرچه تحقیقات گسترده ای در زمینۀ تجزیۀ زیستی پلیمرها در حال انجام است، اما با توجه به پتانسیل متابولیکی گستردۀ میکروارگانیسم ها انتظار می رود که توسعۀ فرایندهای تجزیۀ زیستی قابل دوام صرفآ با مسئلۀ گذر زمان در ارتباط باشد.