CÁC yếu tốt ẢNH HƯỞNG đến QUÁ TRÌNH PHÂN hủy SINH học

CÁC YẾU TỐT ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC1.Ảnh hưởng cấu trúc của polyme  Các phân tử polyme gốc tự nhiên như protein, xenlulozơ và tinh bột nói chung bị phân hủy trong môi

CÁC YẾU TỐT ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC

1.Ảnh hưởng cấu trúc của polyme

 Các phân tử polyme gốc tự nhiên như protein, xenlulozơ

và tinh bột nói chung bị phân hủy trong môi trường sinh vật do bị thủy phân và oxy hóa

 Đa phần các polyme tổng hợp phân hủy sinh học chứa các liên kết dễ bị thủy phân, vì dụ như: liên kết amit-

enamin, este, ure và uretan dễ bị các vi sinh vật và

enzym hydrolytic phân hủy

 Do phần lớn các phản ứng xúc tác enzym xảy ra trong môi trường nước, đặc tính ưa nước và kỵ nước của

polyme tổng hợp ảnh hưởng lớn đến khả năng phân hủy sinh học của chúng

 Một polyme đồng thời chứa cả hai nhóm ưa nước và kỵ nước cho thấy khả năng phân hủy sinh học mạnh hơn so với những polyme chỉ chứa một loại cấu trúc

2 Ảnh hưởng của hình thái polyme

 Một trong những sự khác biệt cơ bản giữa protein và polyme tổng hợp là dọc theo các mạch polypeptit,

protein không có các mắc xích lặp lại tương tự Sự thiếu trật tự này là nguyên nhân làm cho mạch protein kém tạo kết tinh hơn Rất có thể là tính chất này làm cho

protein dễ bị phân hủy sinh học

 Mặt khác, các polyme tổng hợp nói chung, có mắt xích ngắn và độ trật tự cao đã làm tăng khả năng kết tinh, làm cho các nhóm có khả năng thủy phân khó tiếp cận với enzym

3 Ảnh hưởng của chiếu xạ và xử lý hóa học

 Quá trình quang phân polyme bằng tia UV và tia γ tạo

ra gốc tự do và (hoặc) ion thông thường dẫn đến đứt

mạch và liên kết ngang

 Phản ứng oxy hóa cũng xảy ra làm cho tinh thế phức tạp thêm do bên cạnh ánh sáng luôn luôn có mặt của oxy

4 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử polyme

 Khối lượng phân tử càng lớn, càng khó phân hủy.

TÁC NHÂN GÂY PHÂN HỦY SINH HỌC

 Vi sinh vật

+Nấm +Visinh vật

 Enzim

-Enzym thực chất là xúc tác sinh học có cơ chế hoạt

động giống như chất xúc tác hóa học Khí giảm năng lượng hoạt hóa xuống, chúng có thể tăng tốc độ phản ứng

-Khi có mặt của enzym, tốc độ phản ứng có thể được tăng lên 108-1020 lần

-Đa phần enzym là những protein có mạch polypeptit cấu trúc dạng phức ba chiều

-Hoạt động của enzym liên quan mật thiết với cấu trúc, cấu hình.

 Cấu trúc ba chiều của enzym có dạng gấp khúc và dạng túi, tạo ra các vùng trên bề mặt với cấu trúc bậc một đặc trưng (nghĩa là có đuôi aminoaxit đặc trưng) tạo nên bề mặt hoạt động Tại bề mặt hoạt động có sự tương tác

giữa enzym và hợp chất nền, dẫn tới phản ứng hóa học, tạo ra các sản phẩm đặc biệt.

 Để có được sự hoạt động tối ưu, một enzym cần phải kết hợp với các yếu tố bổ trợ, ví dụ ion kim loại.

 Các yếu tố bổ trợ hữu cơ cũng được gọi là coenzym và chúng có thể thay đổi về cấu trúc, một số trong chúng xuất phát từ các B-vitamin khác nhau (thiamin,

biotin…), một số khác là những hợp chất quan trọng

trong chu kỳ trao đổi chất như nicotinamit ademin

dinucleotit (NAD+), nicotinamit ademin dinucleotit phot phat (NADP+), Flavin ademin dinucleotit (FAD+),

Adenosin triphotphat (ATP)…

PHÂN HỦY SINH HỌC

Phân hủy sinh học:

 Phân hủy sinh học là phản ứng do hoạt động của vi sinh vật gây ra, đặc biệt do hoạt động của enzym dẫn đến

thay đổi lớn về cấu trúc hoá học của vật liệu Về cơ bản polyme phân hủy sinh học cần phân hủy rõ ràng trong một thời gian ấn định thành những phân tử đơn giản có trong môi trường như CO2 và nước.

 Nhiều loại polyme được thông báo là “Phân hủy sinh

học” nhưng thực tế là “Bẻ gãy sinh học” hoặc “Thủy

phân sinh học” hoặc “Phân hủy quang – sinh học”

 Những loại polyme khác nhau này được gọi dưới một tên chung là “Polyme phân hủy trong môi trường” Mặc dù có nhiều ý kiến cũng như cách đánh giá khác nhau, nhưng khái niệm về phân hủy sinh học, thực

chất chỉ có một Khái niệm đó được Hội tiêu chuẩn

thử nghiệm và vật liệu Mỹ (ASTM) đưa ra và bổ sung năm 1994 (ASTM Standard D-5488-84d) là khả năng xảy ra phân hủy thành CO2, khí metan, nước, các

hợp chất vô cơ hoặc sinh khối, trong đó cơ chế áp đảo

là tác động của enzem của vi sinh vật đo được bằng các thử nghiệm chuẩn trong một thời gian xác định phản ánh điều kiện phân hủy.

Môi trường cho quá trình phân hủy

Quá trình phân hủy xẩy ra trong các môi trường khác nhau:

 A/Tự phân hủy trong môi trường bình thường:

Lọai phân hủy này thường xẩy ra với những vật liệu dùng một lần Các polymer làm nên vật liệu này được khống chế thời gian tồn tại của nó trong vòng vài ngày đến vài tháng Khi hết thời hạn đó, sẽ xuất hiện các vết nứt gãy cấu trúc, đồng thời với quá trình đó là hiện

tượng xâm thực của không khí và sự tấn công của

visinh vật trong môi trường không khí, mà việc xất

hiện các bào tử nấm mốc là bằng chứng cho thấy quá trình phân hủy xẩy ra:

 Qua hình trên ta thấy sau 7-15 ngày, nấm mốc đã bao phủ gần như tòan bộ diện tích và sau 30 ngày, màng phim đã biến mất Trong trường hợp này,

sự lão hóa cấu trúc xẩy ra trong khỏang 7 ngày

đầu Sự lão hóa đó đã tạo điều kiện cho vi sinh vật tấn công và ăn hết màng phim Sản phẩm cuối

cùng còn lại không nhìn thấy bằng mắt thường, ngay cả các cấu tử nấm Tất cả đi vào không khí:

đó là nước, CO2, Metan…

 Đối với những vật liệu có độ dày lớn hơn màng

phim, hiện tượng xẩy ra cũng tương tự:

 Để giải quyết vấn đề này, nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, thuộc Viện Khoa học

và Công nghệ Việt nam đã thành công trong việc tạo ra một lọai polyme mới, chỉ phân hủy khi chôn trong đất, còn trong điều kiện bình thường không phân hủy.

 Như vậy, việc chôn hủy là một dạng phân hủy sinh học, kèm theo những điều kiện nhất định:

 Nhựa phân hủy sinh học bằng phương pháp chôn ủ

sẽ phân hủy sinh học và phân rã trong một hệ chôn ủ

(thường 12 tuần) ở nhiệt độ cao hơn 50 oC Phần thu

được phải đáp ứng tiêu chuẩn chật lượng về hàm lượng kim loại nặng, độ độc sinh thái và không nhìn thấy rõ mảnh polyme dư Nhựa chôn ủ là một dạng của nhựa

phân hủy sinh học.

 ASTM định nghĩa nhựa chôn ủ như sau: “Đó là nhựa có khả năng xảy ra phân hủy sinh học ở môi trường ủ như một phần của chương trình sẵn có, rằng nhựa sau đó không thể phân biệt bằng mắt trần được nữa, phân hủy thành CO2, nước, hợp chất vô cơ và sinh khối với tốc độ phù hợp với vật liệu ủ (ví dụ như xenluloz”.

 B/ Thủy phân – phân hủy sinh học và quang – phân

hủy sinh học:

polyme có khả năng tan trong nước ở giai đoạn đầu,

sau đó mới xẩy ra hiện tượng phân huỷ sinh học

Những loại polyme này, khi tổng hợp, có những nhóm chức một đầu gắn với mạch, còn một đầu “ái nước” nên

dễ bị trương phồng, làm đứt mạch hoặc thay đổi hoá ,

lý tính, làm cho visinh vật dễ tấn công để phân huỷ

trong mạch có một cấu tử hoặc một nhóm cấu tử có khả năng hấp thụ ánh sáng Khi ánh sáng truyền qua nhóm cấu tử này, mạch polyme bị bẻ gãy, tạo tiền đề cho

phân huỷ sinh học

 +Bẻ gãy sinh học:

thực chất là bẻ gãy sinh học hoặc phân hủy không có tác động của

học Chẳng hạn, màng polyethylen để lâu ngày ngoài nắng, trở

nên khô cứng, mờ và đến một giai đoạn nào đó, độ dai của màng giảm, dẫn đến hiện tượng dễ xé rách hoặc tơi ra từng mảnh vụn

Sự phân huỷ này là quá trình lão hoá của các mạch Các polyme truyền thống vẫn bị lão hoá đến tan rã, nhưng không hoàn toàn phân huỷ Thời gian lão hoá đến tan rã kéo dài nhiều năm

(khoảng vài trăm năm) Đối với nhựa đã tái sinh nhiều lần, khả năng này nhanh hơn Phân huỷ không hoàn toàn kiểu này, để lại trong đất những mảnh vụn, không có điều kiện cho vi sinh vật

phát triển, làm cho đất chóng bạc màu, không tơi xốp.

 Như vậy, bẻ gãy sinh học thực chất là giai đoạn đầu của quá trình lão hoá tự nhiên Bẻ gãy sinh học không đồng nghĩa với phân huỷ sinh học, vì vậy cần phân biệt hai khái niệm: phân huỷ

(degradable) và phân huỷ sinh học

 GS Michel Vert, trường ĐH Monteplie (Pháp) đề xuất các thuật ngữ và định nghĩa liên quan tới sự khác nhau giữa phân hủy và phân hủy sinh học

 Để tránh nhầm lẫn, chúng tôi để nguyên văn bằng tiếng anh:

 BIO (FRAGMENTATION)

Breakdown of a device into particles under the effect of external chemical or physical stresses without cleavage of the macromolecules

 DEGRADATION

Breakdown of macromolecules through chemical orunidentified processes, regardless of their

physicalstate

 ULTIMATE BIODEGRADATION

Maximal biodegradation of macromolecules fragments

 DISSOLUTION

Dispersion of macromolecules constituting a solid device in a solvent, to be used when the fate of the macromolecules is unknown

 (BIO)ABSORPTION

Disappearance of macromolecules from the initial site of implantation Does not imply degradation nor biodegradation nor bioaccumulation

Dissolution is enough to use this term

 BIORESORPTION

Degradation or Biodegradation with elimination of the by-products from an animal organism via

natural pathways

 BIOASSIMILATION

Degradation with metabolisation of fragments

Đường bên trái là quá trình phân hủy sinh học, đường bên phải là quá trình bẻ gãy

cơ học, sau đó mới xẩy ra

quá trình phân hủy sinh học

Bên trái là phân hủy

(degradation),

bên phải là phân hủy sinh học

(biodegradation)

 Tốc độ phân hủy:

-Tốc độ phân hủy của polyme phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó, yếu tố cấu trúc của polyme đóng vai trò quyết định

-Các polyme truyền thống (chỉ những polyme đi từ hóa dầu mà

trong thành phần chỉ có C và H), sau các quá trình phân hủy quang hóa hay bẻ gãy cơ học, tạo thành những phần tử nhỏ Các phần tử này có thể phân hủy hoàn toàn nếy có enzym và visinh vật, tuy

nhiên thời gian rất dài, có nghĩa là phân hủy với tốc độ rất chậm -Các polyme phân hủy sinh học, trong cấu trúc có các nhóm khác như O, OH, P, N, S…thường phân hủy nhanh hơn với các cơ chế như đã nói ở trên.

-Tuy nhiên, để có thể phân hủy nhanh và hoàn toàn, điều kiện thứ hai là phải có enzym và các visinh vật Không có yếu tố này, không thể phân hủy hoàn toàn được.