Hulladékgazdálkodási válság, mikroműanyagok az élelmiszerekben, magas szén-dioxid-kibocsátás, alacsony újrafeldolgozási arány, tengereket elárasztó hulladék – csak néhány kifejezés azok közül, amelyeket a műanyagokkal kapcsolatban az utóbbi években a leggyakrabban hallhattunk. Gyakran már csak legyintünk a műanyagok okozta problémákra, hiszen a riasztó statisztikák, becslések egy idő után nem is annyira ijesztőek. Pedig a műanyaghulladék kezelhetetlensége nem hiába vált mostanra az egyik legégetőbb globális problémává.
Leginkább azért, mert annak ellenére, hogy a problémával tisztában vagyunk, a műanyagtermelést nem lehet leállítani. Sőt, az évente előállított műanyag termékek mennyisége inkább növekvő trendet követ. 2018-ban az Európai Unióban közel 62 millió tonna műanyagot állítottak elő [1] – ez olyan hatalmas szám, ami talán fel sem fogható, de egy főre vonatkoztatva ez évi 139 kg műanyag-felhasználást jelent. Ennek eredményeképp ugyanebben az évben 29 millió tonna műanyaghulladék keletkezett [1] (65 kg/fő). A jövőkép még ennél is rosszabb: várhatóan 2050-re az éves műanyagtermelés a négyszeresére nőhet világszerte, és az üvegházhatású gázkibocsátás 15%-a is ehhez az iparághoz lesz köthető [2].
A műanyaggyártáshoz és hulladékfeldolgozáshoz (vagy annak hiányához) köthető környezeti hatások már most hatalmas problémát jelentenek. Először talán mindenkinek az eldobott halászhálókba vagy zacskókba gabalyodott tengeri állatok juthatnak az eszébe, de a negatív hatások nem köthetőek kizárólag a tengerekhez és óceánokhoz. A műanyaghulladékokból kioldódó anyagok szennyezik a talajt és a talajvizet, a mikroműanyagok bekerülnek az ivóvízhálózatba, és az üvegházhatású gázok nagymértékű kibocsátása felgyorsítja a klímaváltozást. Ezek a hatások pedig globális mértékűek. Egyes becslések szerint, amennyiben a műanyagipar az eddigieknek megfelelő mértékben folytatná a növekedést, 2050-ig összesen 52 milliárd tonna szén-dioxid kerülne a légkörbe [3]. Amennyiben ez megtörténne, a Párizsi Megállapodásban [4] célul kitűzött, 1,5 °C-os globális átlaghőmérséklet-emelkedést gyakorlatilag lehetetlenné tenné.
A változás jelei már látszódnak, bár egyelőre apró lépésekben haladunk a cél felé. Az Európai Parlament és Tanács 2015-ben közzétett irányelvében a műanyag hordtasakok felhasználásának csökkentéséről rendelkezett [5]. Ebben a témában pedig az utóbbi évek egyik legtöbb sajtófigyelmet kapott intézkedése a tengerpartokon megtalálható tíz leggyakoribb műanyagtermék gyártásának betiltásáról szól. Ennek eredményeképp elvileg 2021. július 3-ától Magyarországon [6] is tilos lesz forgalomba hozni bizonyos egyszer használatos termékeket, többek között műanyag evőeszközöket, fültisztító pálcikákat, habosított polisztirol ételtárolókat. Nem hiába irányulnak a korlátozások az egyszer használatos termékek visszaszorítására. Ezen műanyagtermékek nagy része ugyanis nem hasznosítható újra, így nem valósul meg a zárt életciklus. Másrészt pedig, sokszor a gazdasági érdekek döntenek, ami azt jelenti, hogy az olcsó alapanyag és gyártási költségek miatt kifizetődőbb újat gyártani, mint a korábbi, elhasznált műanyag terméket újrahasznosítani. További lehetőség az egyszer használatos műanyagtermékek kiváltásában rejlik, amire egyre nagyobb igény van a felhasználói oldalról.
Alternatív alapanyagok
A műanyagok végleges száműzése mindennapi életünkből valószínűleg lehetetlen, de szerencsére mostanra számos alternatív alapanyag rendelkezésünkre áll a hagyományos műanyagok helyettesítésére. A környezettudatos vásárlók leginkább üveggel, papírral, fával, bambusszal, illetve bioműanyagokkal válthatják ki műanyag használati tárgyaikat. Mindegyik alapanyagról elmondható (az üveg kivételével), hogy előállításukhoz nagy mennyiségű biomassza szükséges, illetve számos fizikai tulajdonságuk elmarad a műanyagokétól.
Utóbbi kijelentés alól azonban kivételt képeznek a bioműanyagok, azaz az olyan polimerek, amelyek természetes forrásból származó alapanyagból állíthatóak elő. A bioműanyag-ipar az 1990-es években kezdett fellendülni, miután a környezettudatosságra egyre nagyobb hangsúly került. Az utóbbi 30 évben felhasználási körük egyre szélesebbé vált, alkalmazzák őket csomagolóanyagként, textiliparban, a gyógyszeriparban, orvosi implantátumként, és a 3D nyomtatás alapanyagaként is. Ehhez képest a bioműanyagok jelenleg a műanyagipar éves termelésének kevesebb, mint 1%-át adják. A jelenség oka, hogy a biopolimerek ára jelentősen meghaladja a tradicionális, kőolajalapú műanyagokét. A jövőben talán ez a különbség mérséklődhet, ugyanis a korábban említett 2020. évi XCI. törvényben közel négyszeres termékdíjat vezettek be a műanyag hordtasakokra, a biodegradábilis műanyagokhoz képest.
A bioműanyagok előnye nemcsak abban rejlik, hogy kőolaj helyett természetes alapanyagokból készülnek. Egyrészt, teljes életciklusukat tekintve ezek a termékek kevesebb üvegházhatású gáz emisszióját eredményezik, mint a kőolajalapú műanyagok. Abban az esetben, hogyha 2050-ig a bioműanyagok piaca jelentősen megnőne (49%-ra), akár 4,3 milliárd tonna szén-dioxid kibocsátása elkerülhető lenne [13]. Ez egyébként technológiailag megoldható feladat, egyes szakértők szerint a jelenleg forgalomban lévő műanyagok 90%-a helyettesíthető lenne növényi alapú termékekkel. A bioműanyagok másik előnye a tradicionális műanyagokkal szemben, az alternatív hulladékfeldolgozási lehetőségük.
A biodegradábilis műanyagok a bioműanyagok egyik csoportját alkotják. Ezek olyan anyagok, amelyek a megfelelő körülmények között, mikroorganizmusok segítségével vízzé, szén-dioxiddá és biomasszává bonthatók le. Ilyenek pl. a keményítő, a politejsav (PLA), vagy a polibutilén-adipát-tereftalát (PBAT). A „megfelelő körülmények” kifejezés több mindent takarhat: vízben, talajban, otthoni vagy ipari komposztálási körülmények közti lebomlást. Míg bizonyos keményítőtartalmú termékek akár vízben is le tudnak bomlani [7], addig a PLA és a PBAT csak ipari komposztáló üzemben mineralizálhatók és humifikálhatók. A biodegradábilis műanyagok életciklusa az 1. ábrán látható.
Hulladékból tápanyag
Az elhasznált bioműanyagok, akárcsak a kőolajalapú műanyagok a hagyományos hulladékkezelési technikákkal jól kezelhetők, vagyis égetéssel energetikailag újrahasznosíthatóak, szelektív gyűjtéssel pedig lehetséges a mechanikai újrahasznosítás. A biodegradábilis műanyagok esetén azonban lehetőség van egy más típusú hulladékkezelési technológia alkalmazására is, ez pedig az oxigéndús (aerob) környezetben történő komposztálás.
Az aerob komposztálás során mikrobák (gombák és baktériumok) az elhalt szerves anyagot bontják le egyszerűbb szerkezetű szerves (humusszá), illetve szervetlen anyagokká (vízzé és szén-dioxiddá). A komposztálási folyamat szempontjából meghatározó, hogy megfelelő legyen a komposzt összetétele (szén/nitrogén aránya) és szemcsemérete, optimális legyen a nedvességtartalom és az oxigénellátás. Amennyiben ezek a feltételek teljesülnek, az aerob lebomlás lejátszódhat, a 2. ábrán jelölt szakaszokon keresztül [14].
A komposzt aktuális állapotát elsősorban a belső hőmérséklete alapján lehet megállapítani, ami szorosan összefügg azzal, hogy éppen mik a domináns mikroorganizmusok a rendszerben. Kezdetben a mezofil baktériumtörzsek az uralkodók. Az optimális hőmérséklet számukra 25–30 °C, így gyors szaporodásba kezdenek, a lebontó folyamataikból származó energia pedig folyamatosan növeli a komposzt belső hőmérsékletét. Számuk 45–50 °C-ig növekszik, efölött azonban elpusztulnak, és a termofil baktériumok veszik át szerepüket. Hatásukra a komposzt hőmérséklete elérheti a 70–75 °C-ot. Ez a magas hőmérséklet biztosítja a patogén mikroorganizmusok pusztulását, így a folyamat végén keletkező komposzt kórokozóktól mentes lesz. Az átalakulási szakasz során a hőmérséklet csökken, a baktériumok helyett gombák kezdenek elszaporodni a rendszerben, és a szakasz végéig a lebontási folyamatok a meghatározóak. A biodegradábilis műanyagok lebomlása is ekkor történik, a komposzt érésével párhuzamosan megy végbe. Végül a felépítési és stabilizációs szakaszokban végbemegy a humuszképződés, és a komposzt teljesen kihűl. A folyamat végén keletkező komposztot talajjavítási célból visszajuttatják a termőföldekre.
Ahhoz, hogy a komposzt érése megtörténhessen a fent leírt módon (gyakorlatilag külső beavatkozás nélkül), alapvető a megfelelően nagy tömegű biomassza összemérése. Ez megvalósul ipari komposztálási körülmények közt, azonban a biológiai bonthatósági vizsgálatok sztenderdizálása érdekében laboratóriumi körülmények közé is szükséges átültetni a folyamatot. Az ipari folyamatok modellezése legjobban érett komposztalapú mikrokozmosz-rendszerek szabályozott körülmények közti tárolásával valósíthatók meg. Ilyen körülmény a mikrokozmosz-rendszerek tárolási hőmérséklete (58 ± 2 °C), a komposzt nedvességtartalma (~ 50%) és szén-nitrogén aránya (10–40:1), illetve a rendelkezésre álló oxigén mennyisége. A lebomlás mértékét a műanyag mineralizációjával keletkező szén-dioxid mennyiségi meghatározásával lehet követni [15]. A szabványosított lebonthatóságvizsgálat részletei a 3. ábrán láthatóak. A 2. ábra felső részén látható néhány biodegradábilis polimer lebomlási ideje [8-12]. Habár a vizsgálatok körülményei megegyeztek, a PLA-nál látható eltérő eredmények jól mutatják, hogy a lebomlási időt a vizsgált próbatest tulajdonságai (pl. vastagsága) is számottevően befolyásolhatják. Az eredményekből az is jól látszik, hogy még a leghamarabb degradálódó polikaprolakton (PCL) lebomlása is közel 3 hétig tart a leírt, szabványosított körülmények közt.
Nem csak polimer
A biodegradábilis műanyagok lebomlási mechanizmusával kapcsolatban az utóbbi években számos tudományos publikáció látott napvilágot. Vizsgálták már a környezeti körülményeknek, azaz a hőmérsékletnek, a komposzt nedvességtartalmának, illetve pH-jának hatását a degradábilitásra. Termékoldalról eddig a legtöbb kutatás a polimerkeverékek lebomlásával foglalkozott, de találhatunk példát a polimer kristályszerkezetének, illetve a különböző adalékanyagok hatásának vizsgálatára is. Mindeddig azonban kevés figyelem irányult arra, hogy a műanyagokban található adalékanyagok és bomlástermékeik komposztba kerülése okozhatja-e a talajminőség romlását.
A kérdés megválaszolása érdekében kutatócsoportomban laboratóriumi komposztálási körülmények közt vizsgáltuk néhány, a politejsav gyártása során alkalmazott szintetikus adalékanyag minőségi és mennyiségi változását. A vizsgált adalékanyagok közt volt háromféle antioxidáns (BHT, Ionox 220 és Irgafos 168), egy UV-abszorber (fénystabilizátor, Tinuvin 900), illetve egy hidrolízisgátló anyag (Stabaxol 1). Az adalékanyagokat érett komposzthoz kevertük, majd az elkészített komposztalapú mikrokozmosz rendszereket szabályozott körülmények közt (55 ± 5 °C-on, rendszeresen levegőztetve és pótolva az elvesztett nedvességet) tároltuk 90 napig. A kísérleti rendszerek összeállításának folyamata, illetve az alkalmazott körülmények a 4. ábrán láthatóak.
Az adalékanyagok minőségi és mennyiségi változását gázkromatográfiás–tömegspektrometriás analitikai módszerrel követtük, a mennyiségi változás eredményei az 5. ábrán szerepelnek. Ahogy látható, a BHT antioxidáns gyorsan, már a kísérlet 10. napjára elbomlott. Tíz bomlástermékének szerkezetét tömegspektrumuk alapján sikerült azonosítani. A BHT mellett jelentős átalakulást szenvedett az Ionox 220 és a Stabaxol 1 is, bár ezek bomlása lényegesen lassabb folyamat volt. Az Ionox 220 bomlástermékei szerkezetüket tekintve nagyrészt megegyeztek a BHT-t tartalmazó mikrokozmosz-rendszerekben megtaláltakkal, ami nem meglepő, hisz a két adalékanyag szerkezetileg hasonlít egymásra. A Stabaxol 1 esetén a kromatogramokban kevés csúcs volt megtalálható, összesen pedig három degradációs terméke volt azonosítható. Az Irgafos 168 és Tinuvin 900 esetén a visszamért koncentráció nem változott jelentősen a kísérlet 90 napos időtartama során, így feltételezhető, hogy ezek a vegyületek ipari komposztálás során sem alakulnak át.
A talajminták minőségéről (így a komposztéról is) közvetlen információt kaphatunk a benne lévő, élő mikroorganizmusok számának meghatározásával, vagy különféle specifikus enzimaktivitás-mérési módszerekkel. Kísérleteink során dehidrogenáz-enzimaktivitás mérést alkalmaztuk a komposzt mikroflórájának jellemzésére. Tapasztalataink alapján, a BHT-t és Stabaxol 1-et tartalmazó rendszerek enzimaktivitása számottevően csökkent a referencia mikrokozmoszhoz képest. Feltételezhetően a keletkező bomlástermékek között volt olyan anyag, amely negatív hatással volt a komposzt dehidrogenáz-enzimaktivitására.
Összességében elmondható, hogy a vizsgált ötféle műanyagadalék közül kettő esetén nem tapasztaltunk szerkezeti átalakulást a 90 napos komposztalapú mikrokozmosz kísérletek során. Így várható, hogy ezen vegyületek megtalálhatóak lesznek a lebomló PLA-t tartalmazó komposztban. Ezzel szemben más adalékanyagok szinte teljesen elbomlottak a kísérlet végére, azonban bizonyos degradációs termékeik a komposztban lévő mikroorganizmusok aktivitásának csökkenését eredményezték.
Kutatni kell a hatásokat
A műanyaghulladék mennyiségének exponenciális növekedése 2020-ra globális problémává nőtte ki magát. A megoldási javaslatok nagyrészt már a jövőre vonatkoznak, a legfőbb cél, hogy megtaláljuk azt az alternatívát, amivel az évente újratermelődő hulladékmennyiséget csökkenteni lehet. A különböző újrahasznosítási lehetőségek mellett alapvető eleme a megoldási terveknek az egyszer használatos műanyagtermékek végleges száműzése vagy helyettesítése. Emiatt a környezettudatos vásárlók egyre nyitottabbak a többszörösen felhasználható termékekre, pl. élelmiszercsomagoló-anyagokra, és az újratölthető flakonokra. A környezeti és ipari körülmények között gyakorlatilag nem lebontható kőolajalapú műanyagok mellett egyre szélesebb piaccal rendelkeznek a természetes úton lebontható anyagokból készült termékek is. Fa, papír, bambusz, vagy biodegradábilis polimerek alkalmazásával jelentősen mérsékelhető lenne a felhalmozódó hulladékprobléma, és a termékek teljes életciklusát tekintve a kibocsátott szén-dioxid mennyisége is csökkenhetne. A biodegradábilis műanyagok azonban csak akkor válhatnak igazán hasznos alternatívává, ha megfelelő hulladékkezelésük biztosított lesz. A lebontható műanyagok jelentős része csak ipari komposztálási körülmények közt mineralizálható, ami azt jelenti, hogy a hagyományos műanyagoktól külön, lehetőség szerint a zöldhulladékkal együtt kellene őket gyűjteni és kezelni. Ennek bevezetésére jelenleg Magyarországon még nem látszik szándék, de vannak a Európában jó példák előttünk, többek között Hollandiában, Belgiumban és Ausztriában. Habár a biodegradábilis műanyagok lebomlásával számos kutatás foglalkozott, mindeddig mérsékelt figyelem irányult a komposztban a műanyagokból potenciálisan visszamaradó adalékanyagok, illetve bomlástermékeik azonosítására, hatásuk felmérésére. A korábban ismertetett kutatásunkban ezzel a témával kezdtünk foglalkozni, eredményeink pedig azt mutatják, hogy bizonyos adalékanyagok bomlástermékei csökkenthetik a komposzt mikrobiológiai aktivitását. A probléma megoldását jelenthetik a természetes eredetű adalékanyagok (pl. citrátalapú lágyítók) alkalmazása a szintetikus adalékok helyett, de ez a terület még további vizsgálatra szorul.
PETROVICS NOÉMI
IRODALOM
(1) Europe, P.; EPRO. Plastics – the Facts 2019. 2019.
(2) Európai Bizottság. Új Megközelítés a Műanyagok Felhasználása Terén.
(3) Hamilton, L. A.; Feit, S.; Muffett, C.; Kelso, M. Plastic & Climate: The Hidden Costs of Plastic Planet. Cent. Int. Environ. Law 2019, 1–108.
(4) Európai Unió. Párizsi Megállapodás. 2016, 4–18.
(5) Európai Parlament, E. T. 94/62/EC – A Csomagolásról És Csomagolási Hulladékról. https://doi.org/10.1128/AAC.03728-14.
(6) Magyarország Kormánya. 2020. Évi XCI Törvény – Egyes Egyszer Használatos Műanyagok Forgalomba Hozatalának Betiltásáról; 2021.
(7) Asoh, T. Researchers Create Water-Degradable Plastic Combining Starch and Cellulose. 2020, No. March, 3–5.
(8) Kalita, N. K.; Bhasney, S. M.; Mudenur, C.; Kalamdhad, A.; Katiyar, V. End-of-Life Evaluation and Biodegradation of Poly(Lactic Acid) (PLA)/Polycaprolactone (PCL)/Microcrystalline Cellulose (MCC) Polyblends under Composting Conditions. Chemosphere 2020, 247, 125875. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.125875.
(9) Leejarkpai, T.; Suwanmanee, U.; Rudeekit, Y.; Mungcharoen, T. Biodegradable Kinetics of Plastics under Controlled Composting Conditions. Waste Manag. 2011, 31 (6), 1153–1161. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2010.12.011.
(10) Sedničková, M.; Pekařová, S.; Kucharczyk, P.; Bočkaj, J.; Janigová, I.; Kleinová, A.; Jochec-Mošková, D.; Omaníková, L.; Perďochová, D.; Koutný, M.; Sedlařík, V.; Alexy, P.; Chodák, I. Changes of Physical Properties of PLA-Based Blends during Early Stage of Biodegradation in Compost. Int. J. Biol. Macromol. 2018, 113, 434–442. https:// doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.02.078.
(11) Stloukal, P.; Pekařová, S.; Kalendova, A.; Mattausch, H.; Laske, S.; Holzer, C.; Chitu, L.; Bodner, S.; Maier, G.; Slouf, M.; Koutny, M. Kinetics and Mechanism of the Biodegradation of PLA/Clay Nanocomposites during Thermophilic Phase of Composting Process. Waste Manag. 2015, 42, 31–40. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.04.006.
(12) Tabasi, R. Y.; Ajji, A. Selective Degradation of Biodegradable Blends in Simulated Laboratory Composting. Polym. Degrad. Stab. 2015, 120, 435–442. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2015.07.020.
(13) Visszafordítható – 100 hatékony megoldás a klímakatasztrófa megállításához. 1. kiadás (HVG Könyvek, Budapest) Szerk.: P. Hawken 2019. 184-185. oldal
(14) Mezőgazdasági (növénytermesztés, állattartás, erdészeti) hulladékok kezelése és hasznosítása. Írta: Dr. Czupy Imre, Vágvölgyi Andrea
https://regi.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0021_ Mezogazdasag_hulladekai/index.html utolsó látogatás: 2020. november 3.
(15) MSZ EN ISO 14855-2:2019 szabvány – A műanyagok teljes aerob biológiai lebonthatóságának meghatározása ellenőrzött komposztálási feltételek mellett. Módszer a felszabadult szén-dioxid elemzésével. 2. rész: A laboratóriumi léptékű vizsgálatban felszabadult szén-dioxid gravimetriás mérése
A KEHOP-3.1.5-21-2021-00003 sz. projektet
támogatta Magyarország Kormánya
és az Európai Unió.
