Структура и биодеградация микромицетами смесей сополимера этилен-винилацетат с термопластичным крахмалом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Сычугова, Ольга Владимировна

• Сычугова, Ольга Владимировна
• кандидат химических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат химических наук Сычугова, Ольга Владимировна

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10

1.1. Основные направления создания полимерных материалов с регулируемым сроком службы. 10

1.2. Влияние некоторых физических и* химических факторов старения на полимерные материалы. 12

1.3. Резистентность полимерных материалов при воздействии на них микромицетов. 21

1.4. Факторы, влияющие на активность грибов-деструкторов естественных и промышленных субстратов. 27

1.5. Методы оценки биологической деструкции материалов. 35

1.6. Свойства и применение СЭВА и ТПК. 40

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и биодеградация микромицетами смесей сополимера этилен-винилацетат с термопластичным крахмалом»

В нашу повседневную жизнь прочно вошли изделия из полимерных материалов как бытового, так и промышленного назначения. Наращивание объемов выпускаемых полимерных изделий ставит проблему их утилизации.

Идея создания биологически разрушаемых материалов возникла и получила развитие в конце 60-х начале 70-х годов прошлого века. Результатом научных разработок в реализации этой цели явилось создание полимерных материалов с регулируемым сроком службы. Однако, они не получили широкого промышленного применения вследствие их дороговизны по сравнению с традиционными синтетическими полимерными материалами, такими как ПЭ, ПП, ПА и т.д.

В настоящее время< мировой выпуск полимерных материалов и изделий из них составляет около 80 млн. тонн/год. По состоянию на 2000 год в России ежегодно образуется 12 млн. тонн отходов тары и упаковки, из них собирается и подвергается захоронению на полигонах твердых бытовых отходов порядка 50% всей упаковки. Однако этот простой способ сопровождают следующие проблемы: чрезмерно быстрое переполнение существующих полигонов из-за большого объема и малой' плотности размещаемых отходов; заражение подземных вод выщелачиваемыми продуктами; самопроизвольное возгорание полигонов; бесконтрольное образование метана и др.

Значительная часть использованной тары и упаковки перерабатывается на мусоросжигательных заводах, что ведет к загрязнению воздуха мелкодисперсной пылью, оксидами серы и азота, фуранами и диоксинами. Серьезные проблемы возникают также с захоронением золы образующейся при сжигании мусора, которая по весу составляет до 30% от исходного веса отходов и которая в силу своих физических и химических свойств не может быть захоронена на обычных свалках.

В связи с этим в настоящее время наблюдается вторая волна заинтересованности в создании и производстве биоразлагаемых полимеров.

Сочетание синтетического полимера, характеризующегося относительной стойкостью к действиям различных факторов окружающей среды, и природного, наделенного способностью разлагаться под воздействием микроорганизмов почвы, придает материалу комплекс свойств, присущих обоим видам полимеров.

Лидирующее место среди индустриально выпускаемых крупнотоннажных полимеров принадлежит полиолефинам, и в первую очередь это полиэтилени сополимеры на его основе, естественное разложение которых длится многие десятилетия. Следовательно, возникает необходимость модификации полимерной матрицы таким образом, чтобы по истечению срока эксплуатации полимерного изделия была возможна его ускоренная утилизация под воздействием микробиоты в условиях свалки. Одним из приоритетных путей решения задач экологического характера является создание смесевых композиций на основе полиэтилена, в объем которого включен природный' компонент - чаще всего крахмал либо его производные.

Актуальность работы. Исследования, проводимые в рамках данной работы, направлены на изучение смесевых композиций на основе модифицированного полиэтилена с термопластичным крахмалом и оценку степени биодеградации под воздействием ряда микромицетов. Это позволит развить основы создания биоразрушаемых полимерных материалов, создать теоретическую основу подбора компонентов смесевых композиций на основе сополимера этилена с винилацетатом и разработке подходов его утилизации с помощью биотехнологий.

Применение совокупности физико-химических и использование классических и оригинальных методов, принятых в микологии, фитопатологии, молекулярной биологии позволит исследовать этапы биоконверсии и физико-химические изменения полимерного материала, происходящие под влиянием биодеструкторов. Комплексное использование указанных выше методов является оригинальным подходом в этой области проведения экспериментальных работ.

Цель работы. Исследование структуры сополимера этилена и винилацетата (СЭВА) и его смесей с термопластичным крахмалом (ТПК) с целью установления корреляционной зависимости между морфологическими особенностями системы и подверженностью ее к биологической деструкции при поражении субстрата микромицетами в стационарных и меняющихся условиях многофакторного действия окружающей среды.

Моделирование раздельного или комплексного влияния факторов окружающей среды, (кислорода, температуры, агрессивных сред, микромицетов и их метаболитов) на биодеградацию полимера и выявление изменений с использованием физических методов исследований позволят проследить этапы деструкции материала, оценить роль каждого конкретного физического и химического фактора воздействия.

Постановка задачи. Для успешного достижения вышеуказанных целей были поставлены следующие задачи: определить влияние винилацетатного компонента на морфологию СЭВА и смеси синтетического и природного полимеров, а также установить взаимосвязь структуры, полимерного материала и способности к биодеградации; изучить поведение полимерного материала при воздействии на него температурно-временного фактора; исследовать воздействие агрессивных сред, как модельных субстанций метаболизма микроорганизмов, на полимерные материалы, а именно: изучить влияние воды на процесс биодеградации полимерных материалов; исследовать влияние агрессивных сред на СЭВА и СЭВА-ТПК (водных растворов органических кислот); исследовать биологическую деструкцию СЭВА и СЭВА-ТПК под воздействием микромицетов, что подразумевает выявление и отбор культур грибов, обладающих наибольшей способностью к обрастанию полимерного материала; отработать методы и условия их инокуляции для достижения наиболее - активного роста на изучаемом' субстрате, качественной и количественной оценки степени биологической' деструкции полимерного материала.

Научная новизна. Проведенные исследования позволили установить определяющую роль вин ил ацетатных групп СЭВА в формировании надмолекулярной структуры сополимера и смеси на его основе. Впервые показана зависимость распределения крахмальной компоненты» в синтетической матрице от содержания функциональных групп в сополимере этилена и винилацетата. Определено пороговое значение содержания! винилацетатных (ВА) групп в СЭВА, выше которого наблюдается резкое изменение ряда свойств смеси СЭВА-ТПК в целом. Впервые установлена зависимость глубиньь биологической деструкции от степени совместимости компонентов смеси, проведена ее оценка с использованием комплекса методов и выявлены основные условия для реализации биотехнологических разработок.

Апробация работы. По результатам работы опубликовано 6 статей, в том числе в зарубежных изданиях, 14 тезисов. Результаты были доложены и обсуждены на конференциях: IX конференция "Деструкция и стабилизация полимеров". 16-20 апреля 2001г. Москва; Первый съезд микологов России. Современная микология в России. Москва 2002г. (2 доклада); Вторая ежегодная молодежная конференция ИБХФ-ВУЗы "Биохимическая физика". 13-14 июня 2002г. Москва; 1-ый

Международный Конгресс "Биотехнология - состояние и перспективы развития". 14-18 октября 2002. Москва; 1-st International Congress Biotechnology - state of the art & prospects of development. Moscow, October, 14-18, 2002; XI International Starch Convention. Moscow-Cracow. Moscow, Russia, June 17-19, 2003; "Биология - наука XXI века". 7-ая Пущинская школа-конференция молодых ученых 14-18 апреля, 2003.

Работа выполнялась в соответствии с координационным планом Научного Совета РАН по биоповреждениям в рамках программы: "Проблемы общей биологии и экологии: рациональное использование биологических ресурсов (1998-2005 г.г.)". Направление 12 -"Экологические проблемы биоповреждений".