การย่อยสลายทางชีวภาพ

การย่อยสลายทางชีวภาพ (อังกฤษ: biodegradation) หรือการสลายตัวทางชีวภาพ คือสารเคมีที่สลายตัวของวัสดุจากเชื้อแบคทีเรียหรือทางชีวภาพอื่นๆ โดยมีความสัมพันธ์กับระบบนิเวศ การจัดการขยะ ชีวการแพทย์ และสภาพแวดล้อมทางชีวภาพ ซึ่งเกี่ยวข้องกับผลิตภัณฑ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่สามารถย่อยสลายกลับไปเป็นธาตุตามธรรมชาติ สารอินทรีย์จะถูกย่อยสลายด้วยออกซิเจน หรือไม่ใช้ออกซิเจน

ราเมือกสีเหลืองเจริญเติบโตในถังขยะกระดาษเปียก

การย่อยสลายทางชีวภาพคือกระบวนการที่นำสารอินทรีย์มาทำปฏิกิริยากับสารอนินทรีย์ ทำให้ย่อยสลายได้ ซึ่งอินทรียวัตถุจะเปลี่ยนเป็นแร่ธาตุ สารลดแรงตึงผิวซึ่งจะหลั่งออกมายังผิวด้านนอกโดยการทำงานของเซลล์จุลินทรีย์ เพื่อเพิ่มกระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพ การย่อยสลายทางทั่วไปใช้อินทรีย์วัตถุ เช่น พืช สัตว์ และสารอื่นๆที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต หรือวัตถุที่มีความคล้ายคลึงกับพืช และสัตว์ ที่ทำให้จุลินทรีย์สามารถนำไปใช้ได้ จุลินทรีย์บางชนิดเกิดขึ้นตามธรรมชาติ โดยจุลินทรีย์มีความหลากหลายในกระบวนการสร้าง นำไปสู่การย่อยสลาย การเปลี่ยนรูปแบบ หรือสะสมในรูปสารประกอบไฮโดรคาร์บอน เช่น น้ำมัน โพลีคลอริเนตไบฟีนิล (PCBs) โพลิอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAHs) สารทางยา สารกัมมันตรังสี และโลหะหนัก

นวัตกรรมวิธีการที่สำคัญในการย่อยสลายของจุลินทรีย์ได้เปิดเผยรายละเอียดด้านข้อมูลทางพันธุกรรม การศึกษาสารพันธุกรรมทั้งหมดของจุลินทรีย์ การศึกษาด้านโปรตีนทั้งหมดที่มีในรหัสพันธุกรรม ชีวสารสนเทศ การวิเคราะห์สิ่งแวดล้อมของจุลินทรีย์ระดับสูง เพื่อนำไปสู่กระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพ และความสามารถของจุลินทรีย์เพื่อปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง ผลิตภัณฑ์ที่มีสารย่อยสลายชีวภาพได้ และสารย่อยสลายทางชีวภาพไม่ได้ ในการตลาดมักบอกว่าสลายได้ทางชีวภาพได้

มาตรวิทยา

ในธรรมชาติ การย่อยสลายทางชีวภาพด้วยวัสดุที่แตกต่างกัน จะใช้อัตราส่วนที่แตกต่างกันด้วย เพื่อให้สามารถทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจุลินทรีย์ต้องการแสง น้ำ และออกซิเจน ในการช่วยย่อยสลายทางชีวภาพ อุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดอัตราการย่อยสลายทางชีวภาพ เนื่องจากในสภาพอากาศอบอุ่นทำให้จุลินทรีย์มีแนวโน้มทำงานซ้ำๆได้เร็วขึ้น

การย่อยสลายทางชีวภาพสามารถวัดเป็นจำนวนได้หลายวิธี นักวิทยาศาสตร์มักใช้การทดสอบการหายใจของจุลิทรีย์ที่ใช้ออกซิเจน (Aerobe) ในการหายใจ โดยเก็บตัวอย่างที่เป็นของเสียในรูปของแข็ง ที่ประกอบด้วยจุลินทรีย์และดิน ต่อมาผึ่งลมทิ้งไว้หลายวัน จุลินทรีย์จะทำการย่อยตัวอย่างทีละน้อย และผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งผลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะเป็นตัวบ่งชี้การย่อยสลาย การย่อยสลายทางชีวภาพสามารถวัดโดยจุลินทรีย์ที่ไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic) และจำนวนมีเทน หรือ โลหะผสมที่สามารถผลิตได้ ในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ เรียกว่า กระบวนการการบำบัดสารมลพิษทางชีวภาพ

ช่วงเวลาประมาณของสารเพื่อการย่อยสลายทางชีวภาพในสิ่งแวดล้อมทางทะเล

ผลิตภัณฑ์	ระยะเวลาย่อยสลายทางชีวภาพ
แกนแอปเปิ้ล	1–2 เดือน
กระดาษทั่วไป	1–3 เดือน
กระดาษชำระอเนกประสงค์	2–4 สัปดาห์
กล่องกระดาษลูกฟูก	2 เดือน
เสื้อผ้าฝ้าย	5 เดือน
กล่องกระดาษเคลือบพลาสติก	5 ปี
กล่องกระดาษเคลือบมัน	3 เดือน
กระป๋องทำจากดีบุก	50–100 ปี
กระป๋องทำจากอะลูมิเนียม	150–200 ปี
ขวดแก้ว	ไม่สามารถวัดได้ (ตลอดไป)
ถุงพลาสติก	10–20 ปี
พลาสติกอ่อน (เช่น ขวด)	100 ปี
พลาสติกแข็ง (เช่น ฝาขวด)	400 ปี

พลาสติก

 

ช้อนส้อมที่ทำจากพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ (อังกฤษ: Biodegradable plastic หรือ Compostable plastic) มักเรียกว่า พลาสติกชีวภาพ พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ จะถูกแตกสลายเป็นเศษเล็กๆ จากการกระทำของน้ำ แสงแดด(ถ้ามี) และออกซิเจน ต่อมาเศษเล็กๆเหล่านั้นจะเป็นอาหารของเชื้อแบคทีเรีย พลาสติกดังกล่าวส่วนใหญ่เป็นโพลีเอสเทอร์ (Polyester)เนื่องจากพันธะของเอสเทอร์ มีความไวต่อการถูกทำลายด้วยน้ำ บางตัวอย่างของโพลีทรีไฮดรอกซิลบิวไทเรด (Poly-3-hydroxybutyratepoly-3-hydroxybutyrate) ในธรรมชาติ มาทดแทนกรดโพลีแลกติก (Polylactic acid) และโพลีคาร์โพรแลกโตน (polycaprolactone)สังเคราะห์ และอื่นๆ เช่น เซลลูโลสอะชีเตด และเซลลูลอยด์หรือเซลลูโลสไนเทรด

ภายใต้ออกซิเจนที่ต่ำ พลาสติกย่อยสลายทางชีวภาพจะย่อยสลายช้าลง และผลิตก๊าซมีเทน เหมือนอินทรียวัตถุอื่นๆ กระบวนการสลายจะเร่งในกองปุ๋ยหมัก พลาสติกที่จะทำจากแป้งจะย่อยสลายภายใน 2-4 เดือนในถังหมักที่บ้าน ขณะที่กรดโพลิแลกติกส่วนใหญ่ไม่ย่อยสลายที่อุณหภูมิที่สูงกว่าถึงจะย่อยสลายได้โพลีคาร์โพรแลกโตน และแป้งโพลีคาร์โพรแลกโตนจะย่อยสลายช้ากว่า แต่ปริมาณของแป้งจะเร่งการสลายตัวโดยหลังพื้นที่ผิวรูพรุนสูง ใช้เวลาหลายเดือน

เทคโนโลยีการย่อยสลายทางชีวภาพ

ในปี 1973 ได้พิสูจน์ครั้งแรกทว่าโพลีเอสเตอร์สามารถย่อยสลายเมื่อกำจัดทางชีวภาพ เช่นดิน ผลคือโพลีเอสเตอร์ทนน้ำและสามารถละลายและขึ้นรูปเป็นแผ่น ขวดและผลิตภัณฑ์อื่นๆ ทำให้พลาสติกบางชนิดเป็นผลิตภัณฑ์ที่ย่อยสลายทางชีวภาพ ต่อมา Polyhydroxylalkanoates (PHAs) ถูกผลิตได้โดยตรงจากทรัพยากรทดแทนโดยจุลินทรีย์ ประมาณ 95% ของเซลล์และแบคทีเรียสามารถจัดการทางพันธุกรรม องค์ประกอบและย่อยสลายทางชีวภาพของ PHAs สามารถควบคุมโดยการผสมกับโพลิเมอร์ธรรมชาติอื่น ๆ ในช่วงปี 1980 บริษัท ไอซีไอ Zenecca เชิงพาณิชย์เกี่ยวกับ PHAs ภายใต้ Biopol ซึ่งมีผลิตภัณฑ์ขวดแชมพูและผลิตภัณฑ์เครื่องสำอางค์อื่นๆการตอบสนองต่อผู้บริโภคเป็นเรื่องผิดปกติ ผู้บริโภคก็เต็มใจที่จะจ่ายมากขึ้นสำหรับสินค้านี้เพราะเป็นธรรมชาติและย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน

ขณะนี้ เทคโนโลยีการย่อยสลายทางชีวภาพมีการพัฒนาในทางการตลาดอย่างสูง ด้วยการใช้งานการผลิตบรรจุภัณฑ์และทางการแพทย์ เทคโนโลยีการย่อยสลายเป็นกังวลกับการผลิตทางวิทยาศาสตร์ของวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ กำหนดกลไกทางวิทยาศาสตร์ของพันธุศาสตร์พืชเข้าสู่กระบวนการ นักวิทยาศาสตร์และองค์กรการผลิตสามารถช่วยเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศส่งผลกระทบโดยการพัฒนาพันธุศาสตร์พืชที่จะเลียนแบบเทคโนโลยีในปัจจุบัน โดยมองไปที่พืช เช่น วัสดุเก็บเกี่ยวที่ย่อยสลายได้ผ่านการสังเคราะห์แสง ของเสียและสารพิษในขั้นแรก

เทคโนโลยีการย่อยสลายทางชีวภาพ Oxo นำมาพัฒนาในการผลิตพลาสติกย่อยสลายทางชีวภาพ โดยการคิดผลิตภัณฑ์โมเลกุลขนาดใหญ่พอลิเมอร์ของพลาสติก ประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจนในอากาศ ผลิตภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้ จากหนึ่งสัปดาห์เป็นหนึ่งปีสองปี ต่อไปเรื่อยๆ กระบวนการเสียภาพทางเคมีเกิดปฏิกิริยาโมเลกุลขนาดใหญ่พอลิเมอร์ของพลาสติก ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นโดยปราศจากการเติมตัวเสียสภาพแต่ก็มีอัตราที่ช้ามาก คือเหตุผลของพลาสติกเมื่อทิ้งไว้ในสิ่งแวดล้อมเป็นเวลานานด้วยปฏิกิริยานี้ จะกระตุ้นและเร่งกระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพ

รากศัพท์ของการย่อยสลาย

ใช้ครั้งแรกในบทความทางชีวภาพปี ค.ศ. 1961 ขณะที่ลูกจ้างอธิบายการสลายตัวของวัตถุที่มีส่วนประกอบของคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน ด้วยจุลินทรีย์ ในปัจจุบันการย่อยสลายทางชีวภาพมีการส่งเสริมผลิตภัณฑ์ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมที่เป็นส่วนหนึ่งของวงจรธรรมชาติของโลก และมีความสามารถในการย่อยสลายกลับไปเป็นธาตุธรรมชาติ

อ้างอิง

1. Diaz E (editor). (2008). Microbial Biodegradation: Genomics and Molecular Biology (1st ed.). Caister Academic Press. ISBN 1-904455-17-4.
2. "Measuring Biodegradability", The University of Waikato, June 19, 2008
3. http://cmore.soest.hawaii.edu/cruises/super/biodegradation.htm 2011-11-05 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน [Mote Marine Laboratory, 1993]
4. (PDF). คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม (PDF) เมื่อ 2013-06-02. สืบค้นเมื่อ 2012-09-06.
5. http://www.kyu.edu.tw/93/epaperv6/93-129.pdf 2016-03-04 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน Fig.9
6. Gross,Richard. "Biodegradable Polymers for the Environment", American Association of Advanced Science, August 2, 2002, p. 804.
7. Luzier, W. D. "Materials Derived from Biomass/Biodegradable Materials." Proceedings of the National Academy of Sciences 89.3 (1992): 839-42. Print.
8. Agamuthu, P."Biodegradability and Degradability of Plastic Waste", "International Solid Waste Association" November 9, 2004