Кратко и по пунктам — сравнение механизмов разрушения полиэтилена (PE) и современных биопластиков (например, PLA, PHA, PBAT) в почве и в океане: продукты, роль микроорганизмов и солнца, и последствия для углеродного цикла и токсичности.
1) Основные механизмы разрушения
- Полиэтилен (PE, цепь C–C): преимущественно абиотическая и поверхностная деградация — фотохимическая (УФ), термическая и механическая. УФ-излучение вызывает радикальную абиотическую автооксидцию: образование пероксидных и радикальных интермедиатов, разрыв цепей и ввод кислородсодержащих групп (карбонилы, карбоновые кислоты, спирты). Биологическая минерализация возможна только после образования таких функциональных групп и очень медленная.
- Биопластики с легко гидролизуемой эфирной или сложноэфирной связью (PLA, PBAT, PHA): гидролиз и ферментативное деполимеризующее расщепление — основной путь. Вода + ферменты (эстеразы, липазы, деполимеразы, cutinase/PETase-подобные) разрывают звенья до мономеров/олиго-меров, которые быстро усваиваются микроорганизмами.
2) Какие химические продукты образуются
- PE (абсолютно упрощённо $[C{H}_2{]}_n$):
- Поверхностная окислительная функционализация: карбонилы (C=O), карбоксильные группы (–COOH), спирты (–OH); короткие углеводородные фрагменты, алкены/алкины, летучие органические соединения (альдегиды, кетоны).
- Дальнейшая (медленная) биомinerализация: при полном аэробном окислении можно записать общий баланс для одного мерного звена:
$$C{H}_2+\frac{3}{2}{O}_2\to C{O}_2+H_{2}O.$$ - Часто конечный результат — образование микрo/нанопластика (физическая фрагментация) + накопление окисленных маломолекулярных соединений.
- PLA (мономер — молочная кислота $C_3{H}_6{O}_3$):
- Гидролиз до молочной кислоты → биомасса + CO2 (аэробно) или CO2+CH4 (анаэробно). Аэробный общий уравнение:
$$C_3{H}_6{O}_3+3O_2\to 3C{O}_2+3H_{2}O.$$ - PHA (например, 3‑гидроксибутират, $C_4{H}_6{O}_2$):
- Деполимеризация до мономеров и последующая минерализация:
$$C_4{H}_6{O}_2+\frac{9}{2}{O}_2\to 4C{O}_2+3H_{2}O$$ (примерный стехиометрический вид для аэробного окисления мономера).
- Примечание: в анаэробных условиях биопластики и части PE-диаградиованные олигомеры могут давать смесь CO2 и CH4.
3) Роль солнца (фотодеградация) и окружающей среды
- Солнце (УФ) критично для PE: инициирует радикальные реакции и вводит полярные группы, что делает поверхности доступными для биоразложения. В водной среде фотодеградация важна в поверхностных слоях; в глубине/осадке — неактивна.
- Биопластики: гидролиз ферментативен и зависит от температуры, влажности и микробной активности. PLA существенно быстрее разлагается при повышенных температурах (индустриальный компост: ~$58^{\circ }C$) — в холодных морских/почвенных условиях гидролиз очень замедлен.
- Почва vs океан:
- Почва: выше биомасса, контакты, перемешивание, именее солёная среда — чаще аэробная, более эффективная биодеградация (особенно в тёплой и влажной почве).
- Океан (поверхность): фотодеградация + биопленки; низкая температура и разбавленность уменьшают скорость микробной минерализации. На глубине/в осадках анаэробные условия — медленная минерализация, возможна метаногенез.
4) Скорости и конечные формы
- PE: остаётся десятилетиями–веками; склонен к фрагментации в микропластик, накоплению и переносом загрязнителей. Биоразложение очень медленное и локализованное.
- Биопластики: подвержены более полному расщеплению до растворимых мономеров и CO2/CH4 в благоприятных условиях; в холодной/солёной воде и в почвах с низкой активностью — могут сохраняться намного дольше и тоже давать микропластик/олиго-меры.
5) Последствия для углеродного цикла
- PE: углерод истощён из ископаемого источника; если минерализуется до CO2, это добавляет к антропогенному CO2 (парниковый эффект). Но большая часть углерода PE остаётся временно «запертой» в пластике или микропластике — не сразу возвращается в цикл.
- Аэробная минерализация (пример): $[C{H}_2{]}_n+\frac{3}{2}n{O}_2\to nC{O}_2+n{H}_{2}O.$ - Биопластики, произведённые из возобновляемого сырья: при разложении возвращают «недавний» биоуглерод в атмосферу — теоретически углеродно-нейтрально, если сырьё регенерируется. Однако производство и охлаждение/переработка может давать дополнительные эмиссии.
- Анаэробная деградация органического углерода (в т.ч. биопластиков) может приводить к образованию метана $C{H}_4$ — более мощного парникового газа, если он выбрасывается в атмосферу.
- Формирование микропластика — фактически «запирает» углерод в форме твердых частиц, нарушая ожидаемую быструю рециклизацию углерода.
6) Токсичность и экологические последствия
- Механическая и физиологическая токсичность микропластика (ингестия, блокировка пищеварения, физические повреждения).
- Химическая токсичность:
- PE-диаброзированные продукты: альдегиды/кетоны/карбоновые кислоты — могут быть токсичными/химически активными; помимо этого, в среду выделяются стабилизаторы, антиоксиданты, пластификаторы (фталаты и др.), антибиоцидинные примеси, металлы.
- Биопластики: мономеры (молочная кислота) обычно менее токсичны в низких концентрациях, но накопление олигомеров/мономеров может менять pH и О2‑баланс, дополнительно стимулировать эффект «кислородного истощения» (Eutrophication‑like) и увеличивать микроорганизменное дыхание.
- Пластыри как носители: микропластики сорбируют ПВУ-СПОС (персистентные органические загрязнители) и металлы, служат векторами для патогенов и инвазивных организмов (plastisphere).
- Косвенно: увеличение биодеградации пластика (особенно биопластиков) в анаэробных местах может стимулировать эмиссию CH4; в прибрежных зонах и осадках это важно для газового баланса.
7) Выводы (суммарно)
- PE: требует фото- и термоокисления для «подготовки» к биодеградации; даёт окисленные фрагменты и стойкие микропластики; вносит ископаемый углерод в окружающую среду и потенциально в атмосферу при минерализации.
- Современные биопластики: по химии более «расщепляемы» (гидролиз/ферменты), легче минерализуются до CO2/CH4 в благоприятных условиях; в холодной морской среде и в некоторых почвах их разложение может быть медленным, и они тоже дают микропластик/олиго-меры.
- Экологически важно не только, что материал «биоразлагаемый», но и в каких условиях он будет утилизирован: неправильное сбрасывание в океан/почву может привести к микропластикам, локальным изменениям кислородного режима, выделению токсичных добавок и парниковых газов.