CC BY
26
№
УПАКОВКА И ЛОГИСТИКА
УДК 621.798.4.004.82
Биоутилизация
крупнотоннажного упаковочного материала
в пищевой промышленности
О.А. Легонькова, канд. техн. наук, доцент, М.С. Федотова
Московский государственный университет прикладной биотехнологии О.В. Селицкая
Российский государственный Аграрный Университет им. К.А. Тимирязева А.В. Александрова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
В настоящее время уделяется все больше и больше внимания экологическим вопросам, связанным с утилизацией упаковочных материалов. Исследование процессов физико-химических превращений синтетических и природных полимерных материалов (ПМ) в условиях воздействия окружающей среды - фундаментальная задача науки о материалах как при решении вопросов их биостойкости, так и получении
Материалы на основе полиэтиленов высокого давления (ПЭВД) нашли широкое применение в различных сферах жизнедеятельности человека благодаря своим физико-химическим характеристикам.
биоразлагаемых изделий [1]. Знание механизма процессов биодеструкции или относительной биостойкости должно позволить прогнозировать изменение функциональных параметров, находить способы как продления «сроков жизни», так и ускорения процесса их распада.
Материалы на основе полиэтиле-нов высокого давления (ПЭВД) нашли широкое применение в различных сферах жизнедеятельности человека благодаря своим физико-хими-
Таблица 1
Физико-механические характеристики полиэтиленов, ГОСТ 16337-77
Марка ПЭВД ПТР, г/10 мин Прочность при разрыве, МПа Деформация при разрыве, % Плотность, г/см3
ПЭВД 153 03-003 0,3 13,7 600 0,9205
ПЭВД 158 03-020 2,0 11,5 600 0,9270
ПЭВД 108 03-020 2,0 12,2 550 0,9185
Ключевые слова: биоутилизация; крупнотоннажный упаковочный материал; полиэтилены высокого давления; микроорганизмы; мицелий.
Key words: biorecycling; a large-capacity packing material; high pressure polyethylene; microorganisms; a mycelium.
ческим характеристикам: температуре плавления (105...108 °С), стойкости к различным химическим средам (исключая окислители), низкой газопроницаемости и хорошим изоляционным свойствам. ПЭВД - наиболее широко применяемые упаковочные полимеры, одну треть всех упаковочных пластиков составляют именно эти материалы. Состав полимерных отходов на 38 % состоит из полиэтиленов (ПЭ) различных марок [2].
В предыдущих работах [3-6] показано, что мицелий микромицетов агрегируется на полимерных материалах неравномерно, хаотично. Адгезионно закрепившись на поверхности, грибы формируют вокруг себя микросреду, специфичную для каждой пары полимер - микроорганизм. Выявлена избирательность действия микромицетов на синтетические полимеры. Процесс биодест-
рукции высокомолекулярных материалов определяется поверхностным биоповреждением за счет деструкции как основной цепи и боковых групп, так и добавок, вводимых в полимер.
В связи с продолжением исследований в этом научно-практическом направлении в пределах данной работы были поставлены задачи: получить культуры микромицетов из основных зональных почв России; провести скрининг микроорганизмов -деструкторов ПЭВД различных марок; выявить процессы биоповреждений ПЭВД различных марок.
В качестве объектов исследования были выбраны марки ПЭ высокого давления, широко используемые при упаковке пищевых продуктов и изготовлении изделий различных назначений: ГОСТ 16337-77: 15303003, 15803-020 (специальное назначение: изделия и детали медицинского назначения, в том числе изделий внутреннего протезирования); 10803-020 (специальное назначение: детские игрушки). Полиэтилены получены с применением катализаторов радикального типа без гомогенизации в расплаве. Отличаются такими параметрами, как показатель текучести расплава (ПТР), прочность, плотность (табл. 1).
Таблица 2
Балл
Характеристика балла
Под микроскопом прорастания спор и конидий не обнаружено
Под микроскопом видны проросшие споры и незначительно развитый мицелий
Под микроскопом виден развитый мицелий, возможно спороношение
Невооруженным глазом мицелий и (или) спороношение едва видны, но отчетливо видны под микроскопом
Невооруженным глазом отчетливо видно развитие грибов, покрывающих менее 25 % испытуемой поверхности
Невооруженным глазом отчетливо видно развитие грибов, покрывающих более 25 % испытуемой поверхности
Образцы почв были взяты из различных регионов России: Краснодарский край (образец № 1), Самарская область (образец № 2), Тульская область (образец №3), Московская область (образец № 4). Особое внимание обращали на исследование образцов почв Московской области, взятых со свалок (технозе-мы). В работе использовали образцы техноземов с нерегулируемой (образцы №№ 5 и 6) и регулируемой (образец № 7) свалок.
Получение и выделение чистых культур проводили путем создания элективных условий по общепринятой методике [6]. Микроскопические грибы идентифицировали по культу-рально-морфологическим признакам с использованием определителей почвенных грибов [7, 8].
Культивирование микроорганизмов на полимерах и ПКМ проводили на основании ГОСТ 9.048-89, ГОСТ 9.040-91. Оценивали грибос-тойкость каждого образца по интенсивности развития мицелия (табл. 2).
Продукты деструкции выявляли при помощи хроматографа марки Hewlett Packard модель HP - 6890 (США). Для идентификации хрома-тограмм использовали базу данных NIST 98 и WILEY275. Газохроматогра-фическое разделение примесей осуществляли на капиллярной кварцевой колонке НР-5 МС с геометрическими размерами 30 м х 0,25 мм х х 0,25 мкм. Образцы пленок до и после обработки растворителями сушили на фильтровальной бумаге при комнатной температуре и взвешивали на аналитических весах. Пленки помещали в бюксы, заливали 2 мл метанола, встряхивали вручную в течение 5 мин и ставили в УЗВ на 15 мин, после чего отбирали растворитель и концентрировали его
PACKAGING AND LOGISTICS
Таблица 3
Грибостойкость ПЭВД (ГОСТ 9.048-89, ГОСТ 9.040-91)
Марка полимера Вид микроорганизмов Интенсивность развития мицелия, дней
7 14 21 28
ПЭВД 153 03-003 Actinomucor elegans 4 4 4 4
ПЭВД 158 03-020 n^Rfl 1ПЯ ПЗ ГПП Actinomucor elegans 4 С 5 4 С 5 5 С 5 5 с 5
ПЭВД I08 03-020 ПЭВД 153 03-003 Actinomucor elegans Aspergillus versicolor 3 4 4 4
ПЭВД 158 03-020 Aspergillus versicolor 4 4 5 5
ПЭВД 108 03-020 Aspergillus versicolor 5 5 5 5
ПЭВД 153 03-003 Aspergillus sydowii 4 4 4
ПЭВД 158 03-020 ПЭВП 108 03 020 Aspergillus sydowii Acnorni i ic с\/пп\л/п 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
ПЭВД 108 03-02U ПЭВД 153 03-003 ПЭВД 158 03-020 Aspergillus syduwii Aureobasidium pullulans A i i ror> h э с i пи i m nil hi bnc 3 4 4 4 4 4 4 4
ПЭВД 158 03-02U ПЭВД 108 03-020 ПЭВД 153 03-003 Muieubdsidium pullulaiij Aureobasidium pullulans Ponin и im эi iгэntir\ririсоi im 4 2 5 3 5 4 5 4
ПЭВД 153 03-003 ПЭВД 158 03-020 n^Rfl 1ПЙ ПЗ ГПП reniullium auidMLiugiiseum Penicillium aurantiogriseum 2 Э 2 Л 3 Л 3 г
ПЭВД I08 03-02U ПЭВД 153 03-003 ПЭВД 158 03 020 Penicillium aurantiogriseum Trichoderma harzianum Tri rho/iür m э har7iar i m 3 2 2 2 4 4 3 3 4 4 4 4 5 4 4 4
ПЭВД 158 03-02U ПЭВД 108 03-020 lllLмudel[Md [la^ianum Trichoderma harzianum 4 4 5 5
до объема 0,2 мл, обдувая поверхность жидкости потоком азота, затем 1 мкл «рабочего» образца вводили в испаритель хроматографа. Образцы пленок, не бывших в контакте с микроорганизмами, обрабатывали вышеприведенным способом и использовали как «контрольные» образцы. Сравнивали хроматограммы в случаях контакта полимера с микроорганизмами с хроматограммами контрольных образцов, исключая пики с одинаковыми временами удерживания (метод вычитания). Оставшиеся пики на хроматограммах идентифицировали.
В исследованных почвах были обнаружены следующие виды микро-мицетов:
в почве Краснодарского края (почва №1) преобладают Aspergillus ochraceus G. Wilh., A. sydowii (Bainier et Sartory) Thom et Church, A. versicolor (Vuill.) Tirab., Penicillium aurantiogriseum Dierckx,
P. chrysogenum Thom, P. citrinum Thom;
в почве Самарской области (почва № 2) наиболее обильно были представлены Acrostalagmus luteoalbus (Link) Zare, Aspergillus sydowii, Fusarium solani (Mart.) Sacc., Penicillium aurantiogriseum, P. citrinum W. Gams et Schroers;
почва Тульской области (почва №3) характеризовалась преобладанием следующих культур: Aspergillus niger Tiegh., A. sydowii, A. versicolor, Penicillium aurantiogriseum, P. chrysogenum, P. citrinum;
в почве Московской области (почва № 4) наиболее обильны были: Aspergillus ochraccus, Д. glaucus (L.) Link, A. sydowii, Penicillium chrysogenum, P. citrinum;
Процесс биодеструкции высокомолекулярных материалов определяется поверхностным биоповреждением за счет деструкции как основной цепи и боковых групп, так и добавок, вводимых в полимер.
технозем № 1 (почва № 5) с нерегулируемой свалки (песок) отличается наличием таких микроорганизмов, как Aspergillus sydowii, A. terreus Thom; Penicillium chrysogenum;
технозем № 2 (почва № 6) -Aspergillus glaucus, Д. sydowii, A. ustus (Bainier) Thom et Church, Mucor circinelloides Tiegh, Penicillium canescens Sopp, Talaromyces helicus (Raper et Fennell) C.R. Benj., Trichoderma harzianum Rifai;
технозем №3 (почва №7) с регулируемой свалки оказался более богатым видами технофильных грибов - Acremonium kiliense Grütz, Acrostalagmus luteoalbus, Actino-mucor elegans (Eidam) C.R. Benj. et Hesselt., Aspergillus glaucus, A. niger, A. sydowii, A. versicolor, Aureo-basidium pullulans (de Bary) G.
gpУПАКОВКА И ЛОГИСТИКА
Таблица 4
Идентифицированные органические соединения при контакте ПЭВД 15303-003 с почвенными
микромицетами
Микроорганизмы Обнаруженные органические соединения
АБрегдИНыБ sydowii (почва № 7) Тетракозан
Trichoderma Иагаапит (почва № 7) Метоксифенилоксим, 2,6-ди^-бутил)-4-гидрокси-4-метил-2,5-циклогексадиен-1-он, 3-октадецен, метиловый эфир пентадекановой кислоты, 1,7,11-триметил-4-(1-метилэтил)циклотетрадекан, докозан
Aureobasidium pullulans (почва № 7) 1,2-докозадиен
Gliomastix murorum (почва № 7) Догазан, бис (2-этилгексиловый) эфир гександиеновой кислоты, диизооктиладипат, 4-фенилморфолин
Aspergillus уетет^ (почва № 7) 1-метил-2-пропил циклогексан, докозан, гексилцикло-гексан, 2-метил эйкозан, 1-октадецен, Н-гептадецил циклогексан, 2-метилтетракозан, пентакозан
Penicillium aurantiogriseum (почва № 7) 1,2,4а,5,6,8а-гексагидро-4,7-диметил-1-изопропилнаф-тален, бензофенон, докозан, гексакозан
Таблица 5
Идентифицированные органические соединения при контакте ПЭВД 15803-020 с почвенными
микромицетами
Микроорганизмы Обнаруженные органические соединения
Trichoderma harzianum (почва № 7) 2-этил-1-гексанол
Aspergillius sydowii (почва № 7) Метиловый эфир бутановой кислоты, 2-этил-1-гексанол
Actinomucor elegans (почва № 7) Метиловый эфир бутановой кислоты
Aureobasidium pullulans (почва № 7) Метиловый эфир бутановой кислоты, 2-этил-1-гексанол
Рenicillium citrinum (почва № 1) Метиловый эфир бутановой кислоты
Aspergillius sydowii (почва № 1) Метиловый эфир бутановой кислоты, 2-этил-1-гексанол
Таблица 6
Идентифицированные органические соединения при контакте ПЭВД 10803-020 с почвенными
микромицетами
Микроорганизмы Обнаруженные органические соединения
Aspergillius sydowi (почва № 7) Метиловый эфир бутановой кислоты, 2-метилдекан, 2,6-ди^-бутил)-4-гидрокси-4-метил-2,5-циклогексадиен-1-он, метиловый эфир 9-гексадеценовой кислоты, метиловый эфир 9,12-октадекадиеновой кислоты
Actinomucor elegans (почва № 7) Гексакозан
Trichoderma harzianum (почва № 7) 2-этил-1-гексанол
Aureobasidium pullulans (почва № 7) 2-этил-1-гексанол, 2-метилдекан, 2,6,10-триметилпентадекан, метиловый эфир 9-гексадеценовой кислоты, метиловый эфир цис-10-гептаде-ценовой кислоты, бутилметиловый эфир-1,2-бензолдикарбоксильной кислоты, метиловый эфир 9,12-октадекадиеновой кислоты, трикозан, тетракозан разветвленный, гексакозан
Penicillium aurantio-griseum (почва № 1) 2-этил-1-гексанол, 2-метилдекан, 2,6,10-триметилпентадекан, метиловый эфир 9,12-октадекадиеновой кислоты
Aspergillus versicolor (почва № 1) 2-метилдекан, 2,7,10-триметилдодекан, метиловый эфир 9,12-октадекадиеновой кислоты, трикозан
Arnaud, Botryotrichum piluliferum Sacc. et Marchal, Cadophora fastigiata Lagerb. et Melin, Clonostachys solani (Harling) Schroers et W.Gams, Coniothyrium fuckelii Sacc., Fusarium oxysporum Schltdl., F. solani, Gliomastix murorum (Corda) S. Hughes, Lecanicillium psalliotae (Treschew) Zare et W. Gams, Paecilomyces in flatus (Burnside) Carmichael, Paraconiothyrium
sporulosum (W. Gams et Domsch) Verkley, Penicillium aurantiogriseum, P.canescens, P. funiculosum Thom, P. rubrum Sopp, P. variabile Sopp, Phoma
herbarum Westend., P. leveillei Boerema et G.J. Bollen, Pseudallescheria boydii (Shear) McGinnis, A.A. Padhye et Ajello, Scopulariopsis brumptii Salv.-Duval, Stachybotrys chartarum (Ehrenb.) S. Hughes, Trichoderma harzianum Rifai, T. koningii Oudem.
Всего из семи исследованных почв было выделено и идентифицировано около 100 штаммов микроорганизмов.
Для ответа на поставленные задачи и выявления наиболее «активных» микроорганизмов с точки зре-
ния их биоповреждающей способности по отношению к полиэтилену высокого давления образцы пластика были инокулированы всеми 100 идентифицированными штаммами из различных почв.
В табл. 3 представлены результаты, показывающие избирательность действия штаммов микроорганизмов по отношению к различным маркам полиэтилена. Интенсивность развития мицелия на поверхности полимера с низким показателем текучести (марка ПЭВД 153 03-003) ниже по сравнению с марками ПЭВД 108 03-020 и ПЭВД 158 03-020, имеющими более высокое значение ПТР. При одинаковом значении ПТР (марки ПЭВД 158 03-020 и ПЭВД 108 03020) интенсивность развития мицелия зависит от плотности материала: чем ниже плотность полимера, тем выше степень его обрастания. Таким образом, определяющий фактор степени грибостойкости полимеров -их плотность.
Результаты по определению эффективности типов почв при твердофазном культивировании штаммов неоднозначны. Трудно оценить отличие активности штаммов, взятых из почв № 1-4, что подтверждается данными газохроматографического анализа: например, штамм Aspergillius sydowii на подложке ПЭВД 15803-020 продуцирует метиловый эфир бутановой кислоты и 2-этил-1-гексанол независимо от того, из какой почвы он выделен. Однако по интенсивности развития мицелия было очевидно, что наиболее «активными» (интенсивность развития мицелия от 4 баллов) были штаммы микроорганизмов образца почвы № 7.
«Активными» штаммами - биодеструкторами для исследуемых поли-этиленов являются:
в случае ПЭВД 153 03-003 -Acrostalagmus luteoalbus, Aspergillus niger, A. sydowii, A. versicolor, A. ustus, Aureobasidium pullulans, Tichoderma harzianum, Gliomastix murorum, Penicillium aurantiogriseum, Penicillium canescens, Mucor circinelloides, Lecanicillium psalliotae, Talaromyces helicus, Clonostachys solani, Fusarium solani, P. chrysogenum, Trichoderma harzianum;
в случае ПЭВД 158 03-020 -Talaromyces helicus, Fusarium oxysporum, Lecanicillium psalliotae, P. citriunum, P. chrysogenum, Acrostalagmus luteoalbus, A.sydowii, Actinomucor elegans, A. glaucus, Aureobasidium pullulans, P. aurantiogriseum, A. versicolor;
в случае ПЭВД 108 03-020 -Lecanicillium psalliotae, P. chrysogenum, Acrostalagmus luteoalbus, F. solani, A.
sydowii, Actinomucor elegans, A. glaucus, Aureobasidium pullulans, Trichoderma harzianum, P. aurantiogriseum, A. versicolor.
В табл. 4-6 представлены результаты идентификации продуктов, образующихся при инокуляции почвенными микроорганизмами поверхности полиэтиленов.
Молекула полиэтилена не содержит атомов кислорода, азота и фрагментов ароматических и насыщенных углеводородов. Выявленные низкомолекулярные соединения, содержащие азот, кислород и насыщенные углеводороды, однозначно свидетельствуют о том, что это продукты метаболизма, образующиеся в процессе «расходования» полиэтилена микроорганизмами. Соединения, представленные в табл. 4-6, с большой долей вероятности можно отнести к продуктам взаимодействия полимеров и микроорганизмов, в том числе и вторичных метаболитов грибов, так как они отсутствуют в контрольных образцах.
Концентрация идентифицированных органических соединений находится на уровне 1,0-Ю-3- 5,0-10-4%. В работе [5] при рассмотрении механизмов биоповреждений акрилатов, термопластичных полиуретанов, поливиниловых спиртов показано, что концентрация органических соединений находится в тех же пределах. Можно предположить идентичность глубины процессов биоповреждений субстратов химического происхождения, основанных как на непосредственной метаболистической активности микроорганизмов, так и на выделении ими продуктов жизнедеятельности.
Изменение убыли массы образцов в зависимости от марки ПЭВД представлено в табл. 7. Для ПЭВД 108 03020 убыль массы составила 1,8 % ± 0,6 % за 28 дней. В случае ПЭВД 15303-003 эта величина составила 1,3 %±0,4 %. На данном примере обнаружена зависимость глубины биоповреждений от плотности полимерного материала: чем ниже плотность, тем выше степень повреждений, вызванных почвенными микро-мицетами. Причем интенсивность развития мицелия не находится в прямой зависимости от изменения убыли массы образцов.
Данные по изменению массы образцов полиэтиленовых пленок, бывших в контакте с микроорганизмами, по сравнению с контрольными подтверждает результаты о том, что почвенные микромицеты вызывают деструктивные процессы ПЭВД. Отличия связаны как с природой ис-
PACKAGING AND LOGISTICS
Таблица 7
Изменение массы образцов при инокулировании микроорганизмами, выделенными из почвы № 7, в зависимости от марки полимера
Микроорганизмы ПЭВД 108 03-020 ПЭВД 153 03-003
убыль массы, % интенсивность развития мицелия убыль массы, % интенсивность развития мицелия
Clonostahys solani 0,26 3,0 1,1 3,4
Asp. ustus 1,0 3,0 0,75 3,0
Talaromyces helicus 0,98 3,0 0,3 3,0
Asp. niger 0,92 2,1 1,9 2,6
Pen. canascens 3,05 2,9 1,9 3,2
Tr. harzianum 3,9 0,7 0,58 3,1
Mucor circinelloides 1,0 2,4 0,01 3,75
Fusarium oxysporum 2,2 3,5 5,1 2,9
Pen.cyclopium 3,8 2,4 0,75 3,5
Pen. variablile 1,75 3,0 3,9 4,75
Lecanicillium psalliotae 2,3 3,75 2,8 3,75
Pen. citrinum 1,2 2,9 0,3 4,7
Pen.chyrogenum 2,6 4,4 3,3 4,8
Acrostalagmus luterabus 2,05 4,75 2,0 3,75
Asp. sydowii 2,6 3,4 1.25 4,25
Asp. gluacus 1,7 3,95 0,3 4,1
Acremonium murorum 1,8 3,1 0,3 3,6
Tr. harzianum 0,7 3,94 0,58 3,1
Auroeobasidium aoremonium 1,5 4,75 1,7 3,8
Pen. rubrum 2,4 3,5 0,06 2,6
пользуемых микроорганизмов, так и марками полиэтилена, обладающими важным показателем для биоповреждений - плотностью материала.
Все изученные почвы содержали виды микромицетов, способные обрастать полиэтилены, наибольшее разнообразие этих видов было найдено в техноземах. Самые активные штаммы были обнаружены в почве №7. Это закономерный результат, так как данная почва - технозем регулируемой свалки технических и бытовых отходов, где сформировано сообщество микроорганизмов, адаптированных к разнообразным полимерным субстратам химического происхождения.
Выделенные органические соединения при биодеструкции ПЭВД экологически безопасны при их утилизации инкубированием в почвах.
Обнаружена идентичность глубины процессов биоповреждений субстратов химического происхождения, основанных как на непосредственной метаболистической активности микроорганизмов, так и на выделении ими продуктов жизнедеятельности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гумаргалиева, Г.З. Материало-ведческие основы биодеструкции
полимерных материалов/Г.З. Гумаргалиева, И.Г. Калинина//Полимер-ные материалы. - 2010. - № 7-8. -С. 58-62.
2. Легонькова, O.A. Биодеструкция упаковочных материалов/O.A. Ле-гонькова//ТБO. - 2010. - № 8. - С. 42-43.
3. Легонькова, O.A. Изменение почвенной микобиоты в контакте с полимерными композиционными материалами/O.A. Легонькова, O^. Селицкая//Материаловедение. -2007. - № 12. - С. 43-50.
4. Легонькова, O.A. Почвенные микроорганизмы как биодеструкторы полимерных композиционных материалов. Второй съезд микологов России: тез.конф./O.A. Легонькова, O^. Селицкая. - М., 2008. - 373 с.
5. Легонькова, O.A. Биоповреждения синтетических полимеров под действием почвенных микроор-ганизмов/O.A. Легонькова//Мате-риаловедение. - 2008. - № 6. -С. 49-55.
6. Теппер, Е.З. Практикум по мик-робиологии/Е.З. Теппер, В.К. Шиль-никова, Г.И. Переверзева - М.: Колосс, 1979. - 215 с.
7. Domsch, K.H. Compendium of soil fungi. (Sec. ed.)/K.H. Domsch, W. Gams, T. Anderson. - Ehing: IHW-Verlag, 2007. - 672 p.
8. Arxvon, J.A. (1981a) The genera of fungi sporulation in pure culture. Vaduz./J.A. Arxvon//J. Cramer, 1981, а.
