CÁC yếu tốt ẢNH HƯỞNG đến QUÁ TRÌNH PHÂN hủy SINH học

CÁC YẾU TỐT ẢNH HƯỞNG ĐẾN
CÁC YẾU TỐT ẢNH HƯỞNG ĐẾN
QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC
QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC
1.Ảnh hưởng cấu trúc của polyme
1.Ảnh hưởng cấu trúc của polyme

Các phân tử polyme gốc tự nhiên như protein, xenlulozơ
Các phân tử polyme gốc tự nhiên như protein, xenlulozơ
và tinh bột nói chung bị phân hủy trong môi trường sinh
và tinh bột nói chung bị phân hủy trong môi trường sinh
vật do bị thủy phân và oxy hóa.
vật do bị thủy phân và oxy hóa.

Đa phần các polyme tổng hợp phân hủy sinh học chứa
Đa phần các polyme tổng hợp phân hủy sinh học chứa
các liên kết dễ bị thủy phân, vì dụ như: liên kết
các liên kết dễ bị thủy phân, vì dụ như: liên kết
amit-
amit-
enamin
enamin
,
,
este, ure và uretan
este, ure và uretan
dễ bị các vi sinh vật và
dễ bị các vi sinh vật và
enzym hydrolytic phân hủy.
enzym hydrolytic phân hủy.


Do phần lớn các phản ứng xúc tác enzym xảy ra trong
Do phần lớn các phản ứng xúc tác enzym xảy ra trong
môi trường nước, đặc tính ưa nước và kỵ nước của
môi trường nước, đặc tính ưa nước và kỵ nước của
polyme tổng hợp ảnh hưởng lớn đến khả năng phân hủy
polyme tổng hợp ảnh hưởng lớn đến khả năng phân hủy
sinh học của chúng.
sinh học của chúng.

Một polyme đồng thời chứa cả hai nhóm ưa nước và kỵ
Một polyme đồng thời chứa cả hai nhóm ưa nước và kỵ
nước cho thấy khả năng phân hủy sinh học mạnh hơn so
nước cho thấy khả năng phân hủy sinh học mạnh hơn so
với những polyme chỉ chứa một loại cấu trúc
với những polyme chỉ chứa một loại cấu trúc
.
.
2. Ảnh hưởng của hình thái polyme
2. Ảnh hưởng của hình thái polyme

Một trong những sự khác biệt cơ bản giữa
Một trong những sự khác biệt cơ bản giữa
protein
protein
và
và
polyme tổng hợp
polyme tổng hợp
là dọc theo các mạch polypeptit,
là dọc theo các mạch polypeptit,

protein không có các mắc xích lặp lại tương tự. Sự thiếu
protein không có các mắc xích lặp lại tương tự. Sự thiếu
trật tự này là nguyên nhân làm cho mạch protein kém
trật tự này là nguyên nhân làm cho mạch protein kém
tạo kết tinh hơn. Rất có thể là tính chất này làm cho
tạo kết tinh hơn. Rất có thể là tính chất này làm cho
protein dễ bị phân hủy sinh học.
protein dễ bị phân hủy sinh học.

Mặt khác, các polyme tổng hợp nói chung, có mắt xích
Mặt khác, các polyme tổng hợp nói chung, có mắt xích
ngắn và độ trật tự cao đã làm tăng khả năng kết tinh,
ngắn và độ trật tự cao đã làm tăng khả năng kết tinh,
làm cho các nhóm có khả năng thủy phân khó tiếp cận
làm cho các nhóm có khả năng thủy phân khó tiếp cận
với enzym.
với enzym.


3. Ảnh hưởng của chiếu xạ và xử lý hóa học
3. Ảnh hưởng của chiếu xạ và xử lý hóa học

Quá trình quang phân polyme bằng tia UV và tia
Quá trình quang phân polyme bằng tia UV và tia
γ
γ
tạo
tạo
ra gốc tự do và (hoặc) ion thông thường dẫn đến đứt
ra gốc tự do và (hoặc) ion thông thường dẫn đến đứt

mạch và liên kết ngang.
mạch và liên kết ngang.

Phản ứng oxy hóa cũng xảy ra làm cho tinh thế phức tạp
Phản ứng oxy hóa cũng xảy ra làm cho tinh thế phức tạp
thêm do bên cạnh ánh sáng luôn luôn có mặt của oxy.
thêm do bên cạnh ánh sáng luôn luôn có mặt của oxy.


4. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử polyme
4. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử polyme

Khối lượng phân tử càng lớn, càng khó phân hủy.
Khối lượng phân tử càng lớn, càng khó phân hủy.
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
0 15 30 45 60 75 90 105
Thôøi gian (phuùt)
pH
Dung dòch pH = 3 Dung dòch pH = 3.5 Dung dòch pH = 4
Dung dòch pH = 4.5 Dung dòch pH = 5
KLPT= 4000
KLPT=18000
TÁC NHÂN
TÁC NHÂN

GÂY PHÂN HỦY SINH HỌC
GÂY PHÂN HỦY SINH HỌC

Vi sinh vật
Vi sinh vật
+Nấm
+Nấm
+Visinh vật
+Visinh vật

Enzim
Enzim
-Enzym thực chất là xúc tác sinh học có cơ chế hoạt
-Enzym thực chất là xúc tác sinh học có cơ chế hoạt
động giống như chất xúc tác hóa học. Khí giảm năng
động giống như chất xúc tác hóa học. Khí giảm năng
lượng hoạt hóa xuống, chúng có thể tăng tốc độ phản
lượng hoạt hóa xuống, chúng có thể tăng tốc độ phản
ứng.
ứng.
-Khi có mặt của enzym, tốc độ phản ứng có thể được
-Khi có mặt của enzym, tốc độ phản ứng có thể được
tăng lên 108-1020 lần.
tăng lên 108-1020 lần.
-Đa phần enzym là những protein có mạch polypeptit
-Đa phần enzym là những protein có mạch polypeptit
cấu trúc dạng phức ba chiều.
cấu trúc dạng phức ba chiều.
-Hoạt động của enzym liên quan mật thiết với cấu trúc,
-Hoạt động của enzym liên quan mật thiết với cấu trúc,

cấu hình.
cấu hình.

Cấu trúc ba chiều của enzym có dạng gấp khúc và dạng
Cấu trúc ba chiều của enzym có dạng gấp khúc và dạng
túi, tạo ra các vùng trên bề mặt với cấu trúc bậc một đặc
túi, tạo ra các vùng trên bề mặt với cấu trúc bậc một đặc
trưng (nghĩa là có đuôi aminoaxit đặc trưng) tạo nên bề
trưng (nghĩa là có đuôi aminoaxit đặc trưng) tạo nên bề
mặt hoạt động. Tại bề mặt hoạt động có sự tương tác
mặt hoạt động. Tại bề mặt hoạt động có sự tương tác
giữa enzym và hợp chất nền, dẫn tới phản ứng hóa học,
giữa enzym và hợp chất nền, dẫn tới phản ứng hóa học,
tạo ra các sản phẩm đặc biệt.
tạo ra các sản phẩm đặc biệt.

Để có được sự hoạt động tối ưu, một enzym cần phải kết
Để có được sự hoạt động tối ưu, một enzym cần phải kết
hợp với các yếu tố bổ trợ, ví dụ ion kim loại.
hợp với các yếu tố bổ trợ, ví dụ ion kim loại.

Các yếu tố bổ trợ hữu cơ cũng được gọi là coenzym và
Các yếu tố bổ trợ hữu cơ cũng được gọi là coenzym và
chúng có thể thay đổi về cấu trúc, một số trong chúng
chúng có thể thay đổi về cấu trúc, một số trong chúng
xuất phát từ các B-vitamin khác nhau (thiamin,
xuất phát từ các B-vitamin khác nhau (thiamin,
biotin…), một số khác là những hợp chất quan trọng
biotin…), một số khác là những hợp chất quan trọng
trong chu kỳ trao đổi chất như nicotinamit ademin

trong chu kỳ trao đổi chất như nicotinamit ademin
dinucleotit (NAD+), nicotinamit ademin dinucleotit phot
dinucleotit (NAD+), nicotinamit ademin dinucleotit phot
phat (NADP+), Flavin ademin dinucleotit (FAD+),
phat (NADP+), Flavin ademin dinucleotit (FAD+),
Adenosin triphotphat (ATP)…
Adenosin triphotphat (ATP)…
PHÂN HỦY SINH HỌC
PHÂN HỦY SINH HỌC
Phân hủy sinh học:
Phân hủy sinh học:

Phân hủy sinh học là phản ứng do hoạt động của vi sinh
Phân hủy sinh học là phản ứng do hoạt động của vi sinh
vật gây ra, đặc biệt do hoạt động của enzym dẫn đến
vật gây ra, đặc biệt do hoạt động của enzym dẫn đến
thay đổi lớn về cấu trúc hoá học của vật liệu. Về cơ bản
thay đổi lớn về cấu trúc hoá học của vật liệu. Về cơ bản
polyme phân hủy sinh học cần phân hủy rõ ràng trong
polyme phân hủy sinh học cần phân hủy rõ ràng trong
một thời gian ấn định thành những phân tử đơn giản có
một thời gian ấn định thành những phân tử đơn giản có
trong môi trường như CO2 và nước.
trong môi trường như CO2 và nước.

Nhiều loại polyme được thông báo là “Phân hủy sinh
Nhiều loại polyme được thông báo là “Phân hủy sinh
học” nhưng thực tế là “Bẻ gãy sinh học” hoặc “Thủy
học” nhưng thực tế là “Bẻ gãy sinh học” hoặc “Thủy
phân sinh học” hoặc “Phân hủy quang – sinh học”.

phân sinh học” hoặc “Phân hủy quang – sinh học”.

Những loại polyme khác nhau này được gọi dưới một
Những loại polyme khác nhau này được gọi dưới một
tên chung là “Polyme phân hủy trong môi trường”.
tên chung là “Polyme phân hủy trong môi trường”.
Mặc dù có nhiều ý kiến cũng như cách đánh giá khác
Mặc dù có nhiều ý kiến cũng như cách đánh giá khác
nhau, nhưng khái niệm về phân hủy sinh học, thực
nhau, nhưng khái niệm về phân hủy sinh học, thực
chất chỉ có một. Khái niệm đó được Hội tiêu chuẩn
chất chỉ có một. Khái niệm đó được Hội tiêu chuẩn
thử nghiệm và vật liệu Mỹ (ASTM) đưa ra và bổ sung
thử nghiệm và vật liệu Mỹ (ASTM) đưa ra và bổ sung
năm 1994 (ASTM Standard D-5488-84d) là khả năng
năm 1994 (ASTM Standard D-5488-84d) là khả năng
xảy ra phân hủy thành CO2, khí metan, nước, các
xảy ra phân hủy thành CO2, khí metan, nước, các
hợp chất vô cơ hoặc sinh khối, trong đó cơ chế áp đảo
hợp chất vô cơ hoặc sinh khối, trong đó cơ chế áp đảo
là tác động của enzem của vi sinh vật đo được bằng
là tác động của enzem của vi sinh vật đo được bằng
các thử nghiệm chuẩn trong một thời gian xác định
các thử nghiệm chuẩn trong một thời gian xác định
phản ánh điều kiện phân hủy.
phản ánh điều kiện phân hủy.
Môi trường cho quá trình phân hủy
Môi trường cho quá trình phân hủy
Quá trình phân hủy xẩy ra trong các môi trường khác
Quá trình phân hủy xẩy ra trong các môi trường khác

nhau:
nhau:

A/Tự phân hủy trong môi trường bình thường:
A/Tự phân hủy trong môi trường bình thường:


Lọai phân hủy này thường xẩy ra với những vật liệu
Lọai phân hủy này thường xẩy ra với những vật liệu
dùng một lần. Các polymer làm nên vật liệu này được
dùng một lần. Các polymer làm nên vật liệu này được
khống chế thời gian tồn tại của nó trong vòng vài ngày
khống chế thời gian tồn tại của nó trong vòng vài ngày
đến vài tháng. Khi hết thời hạn đó, sẽ xuất hiện các vết
đến vài tháng. Khi hết thời hạn đó, sẽ xuất hiện các vết
nứt gãy cấu trúc, đồng thời với quá trình đó là hiện
nứt gãy cấu trúc, đồng thời với quá trình đó là hiện
tượng xâm thực của không khí và sự tấn công của
tượng xâm thực của không khí và sự tấn công của
visinh vật trong môi trường không khí, mà việc xất
visinh vật trong môi trường không khí, mà việc xất
hiện các bào tử nấm mốc là bằng chứng cho thấy quá
hiện các bào tử nấm mốc là bằng chứng cho thấy quá
trình phân hủy xẩy ra:
trình phân hủy xẩy ra:

Qua hình trên ta thấy sau 7-15 ngày, nấm mốc đã
Qua hình trên ta thấy sau 7-15 ngày, nấm mốc đã

bao phủ gần như tòan bộ diện tích và sau 30 ngày,
bao phủ gần như tòan bộ diện tích và sau 30 ngày,
màng phim đã biến mất. Trong trường hợp này,
màng phim đã biến mất. Trong trường hợp này,
sự lão hóa cấu trúc xẩy ra trong khỏang 7 ngày
sự lão hóa cấu trúc xẩy ra trong khỏang 7 ngày
đầu. Sự lão hóa đó đã tạo điều kiện cho vi sinh vật
đầu. Sự lão hóa đó đã tạo điều kiện cho vi sinh vật
tấn công và ăn hết màng phim. Sản phẩm cuối
tấn công và ăn hết màng phim. Sản phẩm cuối
cùng còn lại không nhìn thấy bằng mắt thường,
cùng còn lại không nhìn thấy bằng mắt thường,
ngay cả các cấu tử nấm. Tất cả đi vào không khí:
ngay cả các cấu tử nấm. Tất cả đi vào không khí:
đó là nước, CO2, Metan…
đó là nước, CO2, Metan…

Đối với những vật liệu có độ dày lớn hơn màng
Đối với những vật liệu có độ dày lớn hơn màng
phim, hiện tượng xẩy ra cũng tương tự:
phim, hiện tượng xẩy ra cũng tương tự:

Để giải quyết vấn đề này, nhóm các nhà nghiên cứu tại
Để giải quyết vấn đề này, nhóm các nhà nghiên cứu tại
Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, thuộc Viện Khoa học
Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, thuộc Viện Khoa học
và Công nghệ Việt nam đã thành công trong việc tạo ra
và Công nghệ Việt nam đã thành công trong việc tạo ra
một lọai polyme mới, chỉ phân hủy khi chôn trong đất,

một lọai polyme mới, chỉ phân hủy khi chôn trong đất,
còn trong điều kiện bình thường không phân hủy.
còn trong điều kiện bình thường không phân hủy.

Như vậy, việc chôn hủy là một dạng phân hủy sinh
Như vậy, việc chôn hủy là một dạng phân hủy sinh
học, kèm theo những điều kiện nhất định:
học, kèm theo những điều kiện nhất định:

Nhựa phân hủy sinh học bằng phương pháp chôn ủ
Nhựa phân hủy sinh học bằng phương pháp chôn ủ
sẽ phân hủy sinh học và phân rã trong một hệ chôn ủ
sẽ phân hủy sinh học và phân rã trong một hệ chôn ủ
(thường 12 tuần) ở nhiệt độ cao hơn 50 oC. Phần thu
(thường 12 tuần) ở nhiệt độ cao hơn 50 oC. Phần thu
được phải đáp ứng tiêu chuẩn chật lượng về hàm lượng
được phải đáp ứng tiêu chuẩn chật lượng về hàm lượng
kim loại nặng, độ độc sinh thái và không nhìn thấy rõ
kim loại nặng, độ độc sinh thái và không nhìn thấy rõ
mảnh polyme dư. Nhựa chôn ủ là một dạng của nhựa
mảnh polyme dư. Nhựa chôn ủ là một dạng của nhựa
phân hủy sinh học.
phân hủy sinh học.

ASTM định nghĩa nhựa chôn ủ như sau: “
ASTM định nghĩa nhựa chôn ủ như sau: “
Đó là
Đó là
nhựa có khả năng xảy ra phân hủy sinh học ở môi
nhựa có khả năng xảy ra phân hủy sinh học ở môi

trường ủ như một phần của chương trình sẵn có,
trường ủ như một phần của chương trình sẵn có,
rằng nhựa sau đó không thể phân biệt bằng mắt
rằng nhựa sau đó không thể phân biệt bằng mắt
trần được nữa, phân hủy thành CO2, nước, hợp
trần được nữa, phân hủy thành CO2, nước, hợp
chất vô cơ và sinh khối với tốc độ phù hợp với vật
chất vô cơ và sinh khối với tốc độ phù hợp với vật
liệu ủ (ví dụ như xenluloz”.
liệu ủ (ví dụ như xenluloz”.

B/ Thủy phân – phân hủy sinh học và quang – phân
B/ Thủy phân – phân hủy sinh học và quang – phân
hủy sinh học:
hủy sinh học:

+
+
Polyme thủy phân – phân hủy sinh học
Polyme thủy phân – phân hủy sinh học
là những
là những
polyme có khả năng tan trong nước ở giai đoạn đầu,
polyme có khả năng tan trong nước ở giai đoạn đầu,
sau đó mới xẩy ra hiện tượng phân huỷ sinh học.
sau đó mới xẩy ra hiện tượng phân huỷ sinh học.
Những loại polyme này, khi tổng hợp, có những nhóm
Những loại polyme này, khi tổng hợp, có những nhóm
chức một đầu gắn với mạch, còn một đầu “ái nước” nên
chức một đầu gắn với mạch, còn một đầu “ái nước” nên

dễ bị trương phồng, làm đứt mạch hoặc thay đổi hoá ,
dễ bị trương phồng, làm đứt mạch hoặc thay đổi hoá ,
lý tính, làm cho visinh vật dễ tấn công để phân huỷ.
lý tính, làm cho visinh vật dễ tấn công để phân huỷ.

+
+
Polyme quang – phân hủy sinh học
Polyme quang – phân hủy sinh học
là loại polyme
là loại polyme
trong mạch có một cấu tử hoặc một nhóm cấu tử có khả
trong mạch có một cấu tử hoặc một nhóm cấu tử có khả
năng hấp thụ ánh sáng. Khi ánh sáng truyền qua nhóm
năng hấp thụ ánh sáng. Khi ánh sáng truyền qua nhóm
cấu tử này, mạch polyme bị bẻ gãy, tạo tiền đề cho
cấu tử này, mạch polyme bị bẻ gãy, tạo tiền đề cho
phân huỷ sinh học.
phân huỷ sinh học.



+
+
Bẻ gãy sinh học
Bẻ gãy sinh học
:
:

Nhiều loại polyme được thông báo “Phân hủy sinh học”, nhưng

Nhiều loại polyme được thông báo “Phân hủy sinh học”, nhưng
thực chất là bẻ gãy sinh học hoặc phân hủy không có tác động của
thực chất là bẻ gãy sinh học hoặc phân hủy không có tác động của
vi sinh vật, ít nhất ở giai đoạn đầu.
vi sinh vật, ít nhất ở giai đoạn đầu.
Người ta cũng nói đây là
Người ta cũng nói đây là
quá trình gãy vô sinh (
quá trình gãy vô sinh (
lão hoá nhiệt
lão hoá nhiệt
) hoặc bẻ gãy quang (
) hoặc bẻ gãy quang (
lão hoá
lão hoá
bằng UV)
bằng UV)
.
.

Các hiện tượng bẻ gãy này không liên quan đến quá trình sinh
Các hiện tượng bẻ gãy này không liên quan đến quá trình sinh
học. Chẳng hạn, màng polyethylen để lâu ngày ngoài nắng, trở
học. Chẳng hạn, màng polyethylen để lâu ngày ngoài nắng, trở
nên khô cứng, mờ và đến một giai đoạn nào đó, độ dai của màng
nên khô cứng, mờ và đến một giai đoạn nào đó, độ dai của màng
giảm, dẫn đến hiện tượng dễ xé rách hoặc tơi ra từng mảnh vụn.
giảm, dẫn đến hiện tượng dễ xé rách hoặc tơi ra từng mảnh vụn.
Sự phân huỷ này là quá trình lão hoá của các mạch. Các polyme
Sự phân huỷ này là quá trình lão hoá của các mạch. Các polyme

truyền thống vẫn bị lão hoá đến tan rã, nhưng không hoàn toàn
truyền thống vẫn bị lão hoá đến tan rã, nhưng không hoàn toàn
phân huỷ. Thời gian lão hoá đến tan rã kéo dài nhiều năm
phân huỷ. Thời gian lão hoá đến tan rã kéo dài nhiều năm
(khoảng vài trăm năm). Đối với nhựa đã tái sinh nhiều lần, khả
(khoảng vài trăm năm). Đối với nhựa đã tái sinh nhiều lần, khả
năng này nhanh hơn. Phân huỷ không hoàn toàn kiểu này, để lại
năng này nhanh hơn. Phân huỷ không hoàn toàn kiểu này, để lại
trong đất những mảnh vụn, không có điều kiện cho vi sinh vật
trong đất những mảnh vụn, không có điều kiện cho vi sinh vật
phát triển, làm cho đất chóng bạc màu, không tơi xốp.
phát triển, làm cho đất chóng bạc màu, không tơi xốp.



Như vậy, bẻ gãy sinh học thực chất là giai đoạn
Như vậy, bẻ gãy sinh học thực chất là giai đoạn
đầu của quá trình lão hoá tự nhiên. Bẻ gãy sinh
đầu của quá trình lão hoá tự nhiên. Bẻ gãy sinh
học không đồng nghĩa với phân huỷ sinh học, vì
học không đồng nghĩa với phân huỷ sinh học, vì
vậy cần phân biệt hai khái niệm: phân huỷ
vậy cần phân biệt hai khái niệm: phân huỷ
(degradable) và phân huỷ sinh học
(degradable) và phân huỷ sinh học
(biodegradable).
(biodegradable).

- Polyme phân huỷ sinh học (như định nghĩa và
- Polyme phân huỷ sinh học (như định nghĩa và

giới thiệu ở trên)
giới thiệu ở trên)

- Polyme bẻ gãy sinh học (tất cả các loại polyme)
- Polyme bẻ gãy sinh học (tất cả các loại polyme)
đều có thể bị bẻ gãy sinh học, nhưng chưa chắc đã
đều có thể bị bẻ gãy sinh học, nhưng chưa chắc đã
phân huỷ sinh học.
phân huỷ sinh học.

GS. Michel Vert, trường ĐH Monteplie (Pháp) đề
GS. Michel Vert, trường ĐH Monteplie (Pháp) đề
xuất các thuật ngữ và định nghĩa liên quan tới sự
xuất các thuật ngữ và định nghĩa liên quan tới sự
khác nhau giữa phân hủy và phân hủy sinh học
khác nhau giữa phân hủy và phân hủy sinh học
(
(
Proposed terminology to distinguish the different
Proposed terminology to distinguish the different
levels of degradation and biodegradation)
levels of degradation and biodegradation)
.
.

Để tránh nhầm lẫn, chúng tôi để nguyên văn bằng
Để tránh nhầm lẫn, chúng tôi để nguyên văn bằng
tiếng anh:
tiếng anh:


BIO (FRAGMENTATION)
BIO (FRAGMENTATION)
Breakdown of a device into particles under the
Breakdown of a device into particles under the
effect of external chemical or physical stresses
effect of external chemical or physical stresses
without cleavage of the macromolecules
without cleavage of the macromolecules

DEGRADATION
DEGRADATION
Breakdown of macromolecules through chemical
Breakdown of macromolecules through chemical
orunidentified processes, regardless of their
orunidentified processes, regardless of their
physicalstate
physicalstate

BIODEGRADATION
BIODEGRADATION
Breakdown of macromolecules by the action of a
Breakdown of macromolecules by the action of a
living system or via enzymes and thus cells
living system or via enzymes and thus cells
Maximal biodegradation of macromolecules
Maximal biodegradation of macromolecules
Fragments
Fragments

ULTIMATE BIODEGRADATION

ULTIMATE BIODEGRADATION
Maximal biodegradation of macromolecules fragments
Maximal biodegradation of macromolecules fragments