КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-24-00237
НазваниеОсобенности биоразложения структурно-модифицированного полилактида при управляемом компостировании пищевых отходов
Руководитель Миронов Владимир Витальевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" , г Москва
Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)
Ключевые слова устойчивое развитие, биопластики, полилактид, биодеградация, промышленное компостирование, пищевые отходы, микробное сообщество компоста
Код ГРНТИ62.01.91
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Ежегодное количество полимерных отходов составляет сотни миллионов тонн, значительную долю которых занимает использованная упаковка. При этом основная масса подобных материалов трудно отделима от пищевых отходов и должна утилизироваться совместно. Постепенный переход на упаковку из биоразлагаемых материалов, например полилактида (ПЛ), отчасти решает проблему. Так, согласно прогнозу, концентрация ПЛ в потоке пищевых отходов достигнет к 2030 году 8-10 % по массе. На сегодняшний день, наилучшим доступным способом утилизации пищевых отходов с упаковкой из ПЛ является промышленое компостирование, но высокая концентрация ПЛ может привести к снижению скорости контролируемой биодеградации из-за закисления среды.
В тоже время, расширение областей применения изделий из ПЛ требует повышения их эксплуатационных характеристик: увеличения теплостойкости, снижения хрупкости и газопроницаемости, др. - что обычно достигается структурной модификацией полимера путем его кристаллизации и ориентации, а также введением частиц наноразмерных наполнителей. Постоянное улучшение теплофизических и физико-механических свойств ПЛ возможно потребует проведение биодеградации при повышенных температурах 65-75 °С и выше. Большинство исследований проведено для аморфных или низкокристаллических (легко разлагаемых) образцов при стандартных условиях: нейтральная среда, температура 58 °С и стабильный компост в качестве инокулята микробиоты. Отсутствуют исследования биодеградации структурно-модифицированных ПЛ (с высокой степенью кристалличности и ориентации, содержащих поры или наноразмерный наполнитель) в составе пищевых отходов в условиях промышленного компостирования.
В настоящее время, возникла проблемная ситуация, когда увеличение концентрации структурно-модифицированного ПЛ с улучшенными потребительскими свойствами в потоке пищевых отходов значительно снижает эффективность биодеградации. Влияние таких стрессовых факторов как высокая температура, низкий рН, высокие концентрации аммиака и массовой доли отходов ПЛ различной структуры в пищевых отходах на микробное сообщество недостаточно изучены. Таким образом, научная проблема заключается в недостатке имеющихся знаний о механизмах микробной твердофазной биодеградации высоких концентраций структурно-модифицированных ПЛ в составе пищевых отходов.
Объектом исследования является совокупность факторов внешней среды (условия проведения, а именно, температура, влажность, рН, и состав микробиоты) и структуры ПЛ (степень кристалличности и ориентации, пористость, содержание частиц диоксида кремния), влияющие на скорость разложения полимера. Предмет исследования - процесс биодеградации структурно-модифицированных ПЛ в составе пищевых отходов в условиях промышленного компостирования.
Решение научной проблемы, путем выявления особенностей и исследования механизмов микробной аэробной твердофазной деградации высоких концентраций структурно-модифицированных ПЛ в составе пищевых отходов является актуальной и значимой, и может стать новым перспективным направлением научных исследований.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Миронов В.В., Трофимчук Е.С., Острикова В.В., Плуталова А.В., Москвина М.А., Щелушкина А.А., Черникова Е.В., Соколова Д.Ш.
ОСОБЕННОСТИ ДЕСТРУКЦИИ ПОЛИЛАКТИДА В ПРИСУТСТВИИ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА BACILLUS
Микробиология, № 5, T. 92, стр. 527-532 (год публикации - 2023)
10.31857/S0026365623600207
2.
Трофимчук Е., Острикова В., Иванова О., Москвина М., Плуталова А., Гроховская Т., Щелушкина А., Ефимов А., Черникова Е., Чжан Ш., Миронов В.
Degradation of Structurally Modified Polylactide under the Controlled Composting of Food Waste
Polymers, 15(19), 4017 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15194017
3.
Миронов В.В., Трофимчук Е.С., Плуталова А.В.
Degradation of high concentrations of commercial polylactide packaging on food waste composting in pilot-scale test
Bioresource Technology, 410, 131288 (год публикации - 2024)
10.1016/j.biortech.2024.131288
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Растущее использование синтетических биоразлагаемых полимеров, таких как алифатические полиэфиры, привело к большей необходимости понимать их поведение в сценарии окончания срока службы в качестве материалов для упаковки пищевых продуктов. Впервые показано, что компостирование высокого содержания полилактида (ПЛ) 10% в смеси с пищевыми отходами (ПО) 62% и инокулятом 28% (сырые мас/мас) в ходе пилотных испытаний в течение 98 дней приводит к полной биодеградации ПЛ без оказания негативного влияния на процесс и готовый продукт (Mironov et al., 2024). Высокое содержание промышленной упаковки из высокомолекулярного ПЛ препятствовало подкислению среды за счет увеличения инфильтрации воздуха. На начальном этапе высокий ПЛ привел к повышению на 10°С максимальной температуры до 71°С при низком биоразнообразии и доминировании термофильных представителей родов Bacillus, Geobacillus, Caldibacillus, Compostibacillus, Novibacillus, Planifilum и Aeribacillus, составляющих 77% бактериального сообщества. Основным механизмов деградации в этот период была гидролитическая деструкция ПЛ, катализируемая органическими кислотами и аммиаком, с их поглощением от 3,5 до 13,0 мас.% за счет накопления концевых гидрофильных карбоксильных и гидроксильных групп. Это привело к увеличению степени кристалличности ПЛ до 55%, но при этом температура плавления снизилась, что, по-видимому, связано со значительным уменьшением молекулярной массы ПЛ с 76,0 до 5,4 кДа. Полная дефрагментация упаковки ПЛ через 14 дней и появление продуктов гидролитической деструкции с низкой молекулярной массой привело к существенному увеличению видового разнообразия бактериального сообщества и продлило на 12 дней термофильную стадию с повышением средней температуры на 5,2°С, увеличением потребления кислорода в 2 раза при снижении на 46% эмиссии аммиака. Результаты показывают возможность безопасной утилизации высокой концентрации упаковки из ПЛ при промышленном компостировании.
Ссылки на информационные ресурсы, посвященные проекту:
Bioresource Technology https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852424009921?via%3Dihub
Научная Россия https://scientificrussia.ru/articles/ostatki-pisi-mozno-kompostirovat-vmeste-s-odnorazovoj-posudoj-i-upakovkoj
Российский микробиологический портал https://microbius.ru/news/ostatki-pischi-mozhno-kompostirovat-vmeste-s-odnorazovoy-posudoy-i-upakovkoy
Seldon News https://news.myseldon.com/ru/news/index/320085717
РНФ https://rscf.ru/news/biology/ostatki-pishchi-mozhno-kompostirovat-vmeste-s-odnorazovoy-posudoy-i-upakovkoy/
БиоТех2030 http://biotech2030.ru/ostatki-pishhi-mozhno-kompostirovat-vmeste-s-odnorazovoj-posudoj-i-upakovkoj/
Публикации
1.
Миронов В.В., Трофимчук Е.С., Острикова В.В., Плуталова А.В., Москвина М.А., Щелушкина А.А., Черникова Е.В., Соколова Д.Ш.
ОСОБЕННОСТИ ДЕСТРУКЦИИ ПОЛИЛАКТИДА В ПРИСУТСТВИИ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА BACILLUS
Микробиология, № 5, T. 92, стр. 527-532 (год публикации - 2023)
10.31857/S0026365623600207
2.
Трофимчук Е., Острикова В., Иванова О., Москвина М., Плуталова А., Гроховская Т., Щелушкина А., Ефимов А., Черникова Е., Чжан Ш., Миронов В.
Degradation of Structurally Modified Polylactide under the Controlled Composting of Food Waste
Polymers, 15(19), 4017 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15194017
3.
Миронов В.В., Трофимчук Е.С., Плуталова А.В.
Degradation of high concentrations of commercial polylactide packaging on food waste composting in pilot-scale test
Bioresource Technology, 410, 131288 (год публикации - 2024)
10.1016/j.biortech.2024.131288
Возможность практического использования результатов
Результаты исследований динамики изменения физико-химических свойств образцов коммерческой упаковки из полилактида и образцов структурно-модифицированного полилактида могут составлять научно-технологический задел для совершенствования физико-химической структуры полилактида для производства упаковочных материалов с улучшенными потребительскими свойствами.