Biodegradation of Polylactide in Natural Fresh Water

• Autorzy: Aleksandra Heimowska , Magda Morawska , Anita Bocho-Janiszewska

Warianty tytułu

Biodegradacja polilaktydu w naturalnym środowisku wody słodkiej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Polylactide or poly(lactic acid) (PLA) was formerly known as a hydrolyzable and unstable polyester used as packaging material due to its functional properties and its susceptibility to biodegradation. Degradation of this polyester, depending on both physical-chemical and microbiological factors. The degree of biological polylactide degradation depends on the poly-mer chemical structure, crystalline phase portion, proper surface and hydrophilicity as well as external factors, i.e. pH or temperature. Microorganisms (thermophilic bacteria) and their enzymes (protease, lipase or hydrolase) are mainly responsible for PLA degradation in natural conditions. The aim of this study is the estimation of degradation process of polylactide in natural fresh water. Biodegradation process of polylactide took place in natural environment in fresh water (pond). The characteristic parameters of environments (temperature, pH) were measured during experiment and their influence on the biodegradation of the samples was discussed. The loss of weight, thermal changes and changes of structural and surface morphology of polymer samples were tested during the period of incubation. The polylactide film were not very susceptible to microbiological attack during 12 months incubation in fresh water. Results were compared with polylactide incubated in fresh water with sodium azide in the same time (sodium azide was added into the water to eliminate the influence of microorganisms). The samples of poly(lactic acid) were resistant to chemical hydrolysis. It is known that abiotic (temperature, pH) and also biotic parameters have an influence on the biodegradation process. Algae, heterotrophic and ephilitic bacteria are presented in fresh water like river or lake. The results have confirmed that polylactide is not very susceptible to an enzymatic attack of microorganisms (psychrophilic and mesophilic bacteria) present in natural environment at low temperature. (original abstract)

Polilaktyd lub poli(kwas mlekowy) (PLA), znany jako poliester ulegający hydrolizie, stosowany jako materiał opakowaniowy ze względu na jego właściwości i podatność na biodegradację. Degradacja tego poliestru zależy zarówno od czynników fizykochemicznych, jak i mikrobiologicznych. Stopień degradacji biologicznej polilaktydu zależy również od struktury chemicznej polimeru, zawartości fazy krystalicznej, powierzchni właściwej, hydrofilowości oraz czynników zewnętrznych, takich jak pH czy temperatura. Mikroorganizmy (ciepłolubne bakterie) oraz enzymy (proteazy, lipazy lub hydrolazy) są odpowiedzialne za degradację PLA w naturalnym środowisku. Celem pracy jest ocena stopnia degradacji polilaktydu w słodkowodnym środowisku. Proces biodegradacji polilaktydu przebiegał w środowisku naturalnym w wodzie słodkiej (stawie). W trakcie trwania eksperymentu mierzono charakterystyczne parametry środowiska (temperatura, pH) oraz oceniano ich wpływ na biodegradację próbek. Zmiany masy, termiczne zmiany oraz zmiany morfologii powierzchni próbek polilaktydu badano w okresie inkubacji. W ciągu 12 miesięcy inkubacji w wodzie słodkiej próbki polilaktydu nie wykazały dużej podatności na dzia-łalność mikrobiologiczną. W tym samym czasie polilaktyd inkubowano w wodzie słodkiej z dodatkiem azydu sodku (w celu wyeliminowania wpływu mikroorganizmów). Uzyskane wyniki wskazują, że polilaktyd jest polimerem odpornym na hydrolizę chemiczną. Wiadomo, że parametry abiotyczne (temperatura, pH) oraz parametry biotyczne (glony, bakterie heterotroficzne i epilityczne obecne w wodzie słodkiej) mają wpływ na proces biodegradacji. Wyniki potwierdziły, że polilaktyd nie jest tworzywem podatnym na enzymatyczną działalność mikroorganizmów (bakterii psychrofilnych i mezofilnych) obecnych w środowisku naturalnym w niskiej temperaturze. (abstrakt oryginalny)

Słowa kluczowe

EN

Biodegradation; Natural environment; Polymers; Ecological packaging

PL

Biodegradacja; Środowisko przyrodnicze; Polimery; Ekologia opakowań

• Czasopismo: Towaroznawcze Problemy Jakości
• Rocznik: 2015
• Numer: nr 4
• Strony: 19--29

Twórcy

autor

Aleksandra Heimowska

• Akademia Morska w Gdyni

autor

Magda Morawska

• Gdynia Maritime University, Poland

autor

Anita Bocho-Janiszewska

• University of Technology and Humanities in Radom, Poland

Bibliografia

• [1] Albertson A.C., Berenstedt C., Karlsson S. (1994) Journal of Applied Polymer Science, 51, 1097.
• [2] Arias V., Olsen P., Odelius K., Höglund A., Albertsson A.C. (2015) Selective degra-dation in aliphatic bock copolyesters by controlling the heterogeneity of amorphous phase. Polymer Chemistry (on-line)
• [3] Auras R.A., Harte B., Selke S., Hernandes R.J. (2003) Mechanical, physical, and barrier properties of poly(lactide) films. Journal of Plastic Film Sheet, 19, 123-135.
• [4] Auras R.A., Harte B. (2004) An overview of polylactides as packaging materials. Macromolecular Bioscience, 4, 835-864.
• [5] Ikura Y., Kudo T. (1999) Isolation of a microorganism capable of degrading poly (L-lactide). Journal of General and Applied Microbiology, 45, 247.
• [6] Itavaara M., Karjomaa S., Selin J.F. (2002) Biodegradation of polylactide in aerobic and anaerobic thermophilic conditions. Chemosphere, 46, 879-885.
• [7] Haynes D., Abayasinghe N., Harrison G., Burg K., Smith J. (2007) In situ copolyesters containing poly(L-lactide) and poly(hydroxyalkanoate) units. Biomacromolecules, 8, 1131-1137.
• [8] Heimowska A., Rutkowska M. (2014) Biodegradation of starch and poly(ε-caprolacto-ne) modified by starch in natural fresh water (pond) and sea water. Commodity Science in Research and Practice - Towards Sustainable Development, Kraków, pp. 89-103.
• [9] Kale G., Auras R., Singh S.P. (2007) Comparison of the degradability of poly(lactide) packages in composting and ambient exposure conditions. Packaging Technology and Science, 20, 49-70.
• [10] Kale G., Auras R., Singh S.P. (2006) Degradation of commercial biodegradable packa-ges under real composting and ambient exposure conditions. Journal of Polymer and Environments, 14, 317-334.
• [11] Kale G., Auras R., Singh S.P., Narayan R. (2007) Biodegradability of polylactide bottles in real and simulated composting conditions. Polymer Testing, 26, 1049-1061.
• [12] Kolstad J.J., Vink E.T.H., Wilde B., Debeer L. (2012) Assessment of anaerobic degra-dation of IngeoTM polylactides under accelerated landfill conditions. Polymer Degra-dation and Stability, 97, 1131-1141.
• [13] Li S., Girard A., Garreau H., Vert M. (2001) Enzymatic degradation of polylactide ste-reocopolymers with predominant D-lactyl contents. Polymer Degradation and Stability, 71, 61-67.
• [14] Lenz W.R. (1993) Advances in Polymer Science, 107, Berlin, pp. 1-40.
• [15] Ndazi B.S., Karlsson S. (2011) Characterization of hydrolytic degradation of polylactic acid/rice hulls composites in water at different temperatur es, eXPRESS Polymer Letters, 5 (2), 119-131. Available online at www.expresspolymlett.com
• [16] Proikakis C.S., Mamuzelos N.J., Tarantili P.A., Andreopoulos A.G. (2006) Swelling and hydrolytic degradation of poly(D,L-lactic acid) in aqueous solutions. Polymer Degradation and Stabillity, 91 (3), 614-619.
• [17] Rudeekit Y., Numnoi J., Tajan M., Chaiwutthinan P., Leejarkpai T. (2008) Determi-ning biodegradability of polylactic acid under different environments. Journal of Metals, Materials and Minerals, 18 (2), 83-87.
• [18] Rutkowska M., Heimowska A. (2008) Degradacja materiałów polimerowych pocho-dzenia naturalnego w środowisku wody morskiej. Polimery, 53 (11-12), 854-864.
• [19] Rutkowska M., Krasowska K., Heimowska A., Steinka I., Janik H., Haponiuk J., Karlsson S. (2002) Biodegradation of modified poly(ε-caprolactone) in different environments. Polish Journal of Environmental Studies, 11 (4), 413-420.
• [20] Rydz J., Wolna-Stypka K., Musioł M., Szeluga U., Janeczek H., Kowalczuk M. (2013) Further evidence of polylactide degradation in paraffin and in selected protic media. A thermal analysis of eroded polylactide films. Polymer Degradation and Stability, 98, 1450-1457.
• [21] Szumigaj J., Żakowska Z., Klimek L., Rosicka-Kaczmarek J., Bartkowiak A. (2008) Assessment of polylactide foil degradation as a result of filamentous fungi activity. Polish Journal of Environmental Studies, 17 (3), 335-341.
• [22] Tokiwa Y., Calabia B.P. (2006) Biodegradability and biodegradation of poly(lactide). Applied Microbiology and Biotechnology, 72, 244.
• [23] Torres A., Li S.M., Roussos S., Vert M. (1996) Degradation of L- and D,L-lactic acid oligomers in the presence of Fusarium moniliforme and Pseudomonas putida. Journal of Environmental Polymer Degradation, 4, 213.
• [24] Torres A., Li S.M., Roussos S., Vert M. (1996) Screening of microorganisms for biodegradation of poly (lactic acid) and lactic acid-containing polymers. Applied Environmental Microbiology, 62, 2393.
• [25] Tsuji H., Echizen Y., Nishimura Y. (2006) Photodegradation of biodegradable poly-esters: A comprehensive study on poly (L-lactide) and poly (ε-caprolactone). Polymer Degradation and Stability, 91, 1128.
• [26] Vroman I., Tighzert L. (2009) Biodegradable polymers. Materials, 2, 307-344.
• [27] www.biopak.com.au.