濡れた紙の入った容器に生える黄色い粘菌

生分解とは、細菌や真菌などの微生物による有機物の分解です。[a] [2]一般的には自然のプロセスであると考えられており、この点で堆肥化とは区別されます。堆肥化は、特定の状況下で生分解が起こる人為的なプロセスです。

生分解のプロセスは 3 つに分けられます。まず、物体は生分解を起こし、構造が機械的に弱くなります。次に、生分解が起こり、微生物によって物質が分解されます。最後に、古い物質が新しい細胞に組み込まれる同化が起こります。

実際には、ほぼすべての化合物や材料は生分解されますが、重要な要素は時間です。野菜などは数日で分解されることもありますが、ガラスや一部のプラスチックは分解に数千年かかります。欧州連合（EU）が用いる生分解性の基準は、6ヶ月以内に元の物質の90%以上が生物学的プロセスによって二酸化炭素、水、ミネラルに変換されることとされています。

メカニズム

生分解のプロセスは、生分解、バイオフラグメンテーション、そして同化の3段階に分けられます。[3]生分解は、物質の機械的、物理的、化学的特性を変化させる表面レベルの劣化と説明されることがあります。この段階は、物質が屋外環境における非生物的要因にさらされることで発生し、物質の構造を弱めることでさらなる劣化を促します。これらの初期変化に影響を与える非生物的要因には、圧縮（機械的）、光、温度、環境中の化学物質などがあります。[3] 生分解は通常、生分解の第一段階として発生しますが、場合によってはバイオフラグメンテーションと並行して発生することもあります。[4]一方、Hueck [5]は、生分解を「人間の材料に対する生物の望ましくない作用」と定義しました。これには、建物の石造りのファサードの崩壊、[6]微生物による金属の腐食、あるいは単に生物の増殖によって人工構造物に引き起こされる美観の変化などが含まれます。[6]

ポリマーのバイオフラグメンテーションは、ポリマー内の結合が切断され、その代わりにオリゴマーとモノマーが生成される溶解プロセスです。 [3]これらの材料を断片化する手順も、システム内の酸素の存在によって異なります。酸素が存在する場合の微生物による材料の分解は好気性消化であり、酸素が存在しない場合に材料が分解されるのは嫌気性消化です。[7]これらのプロセスの主な違いは、嫌気性反応ではメタンが生成されるのに対し、好気性反応では生成されないことです（ただし、両方の反応で二酸化炭素、水、何らかの種類の残留物、および新しいバイオマスが生成されます）。[8]さらに、好気性消化は通常、嫌気性消化よりも急速に進行しますが、嫌気性消化では材料の体積と質量をより効果的に減らすことができます。[7]嫌気性消化は廃棄物の体積と質量を減らし、天然ガスを生産する能力があるため、嫌気性消化技術は廃棄物管理システムや地域の再生可能エネルギー源として広く利用されています。[9]

同化段階では、バイオフラグメンテーションによって生じた生成物が微生物細胞に統合されます。[3]フラグメンテーションによって生じた生成物の一部は、膜輸送体によって細胞内を容易に輸送されます。しかし、他の生成物は、細胞内に輸送可能な生成物を生成するために、依然として生体内変換反応を経る必要があります。細胞内に入った生成物は、分解経路に入り、アデノシン三リン酸（ATP）または細胞構造の要素の生成につながります。[3]

好気性生分解方程式
Cポリマー+ O 2 → C残留物+ Cバイオマス+ CO 2 + H 2 O
嫌気性生分解方程式
Cポリマー→ C残留物+ Cバイオマス+ CO 2 + CH 4 + H 2 O

生分解速度に影響を与える要因

典型的な海洋ゴミの平均推定分解時間。プラスチックゴミは青色で表示されています。

実際には、ほとんどすべての化合物や物質は生分解プロセスの影響を受けます。しかし、重要なのは、そのようなプロセスの相対的な速度、つまり日、週、年、数世紀といった単位にあるのです。有機化合物の分解速度は、多くの要因によって決まります。要因としては、光、水、酸素、温度などがあります。[10]多くの有機化合物の分解速度は、その生物学的利用能によって制限されます。生物学的利用能とは、物質がシステム内に吸収される速度、または生理活動の現場で利用可能になる速度です。[11]生物が化合物を分解するには、まず溶液中に放出されなければならないからです。生分解速度はさまざまな方法で測定できます。好気性微生物には呼吸測定法を使用できます。まず、固形廃棄物サンプルを微生物と土壌の入った容器に入れ、混合物を通気します。数日かけて、微生物はサンプルを少しずつ消化し、二酸化炭素を生成します。生成されたCO2の量が分解の指標となります。生分解性は嫌気性微生物とそれらが生成できるメタンまたは合金の量によっても測定できます。[12]

製品試験において、生分解速度に影響を与える要因に注意を払い、得られる結果の正確性と信頼性を確保することが重要です。いくつかの材料は、承認試験のために最適な条件下で実験室で生分解性があると試験されますが、これらの結果は、要因がより変動しやすい現実世界の結果を必ずしも反映していない可能性があります。[13]例えば、実験室で高い生分解性があると試験された材料が、埋立地では高い分解率で分解されない可能性があります。これは、埋立地には分解に必要な光、水、微生物の活動が不足していることが多いためです。[14]そのため、環境に大きな影響を与えるプラスチック生分解性製品には、基準が定められることが非常に重要です。正確な標準試験方法の開発と使用は、生産および商品化されるすべてのプラスチックが自然環境で実際に生分解することを保証するのに役立ちます。[15]この目的のために開発された試験方法の一つがDINV 54900です。[16]

最近の進歩により、バイオセンサーと機械学習を組み合わせたポリマーの生分解をリアルタイムで監視できるようになり、さまざまな環境条件下での分解評価の精度が向上しました。[17]

プラスチック

生分解性プラスチックとは、実用段階では機械的強度を維持しながら、使用後には低重量の化合物と無毒の副産物に分解される材料を指します。[19]この分解は、通常、非水溶性ポリマーである材料に対する微生物の攻撃によって可能になります。[4]このような材料は、化学合成、微生物による発酵、化学的に改変された天然物から得られます。[20]

プラスチックの生分解速度は非常に変動します。 下水処理にはPVCベースの配管が選ばれていますが、これはPVCが生分解性に乏しいためです。一方で、環境にさらされると容易に分解する包装材料も開発されています。[ 21]生分解が速い合成ポリマーの例としては、ポリカプロラクトン、その他のポリエステル、芳香族脂肪族エステルなどが挙げられます。これらのエステル結合は水による影響を受けやすいためです。代表的な例としては、再生可能なポリ乳酸であるポリ-3-ヒドロキシ酪酸が挙げられます。その他、セルロース系の酢酸セルロースやセルロイド（硝酸セルロース）などがあります。

ポリ乳酸は、すぐに生分解するプラスチックの一例です。

酸素濃度が低い環境では、プラスチックの分解速度は遅くなります。分解プロセスは、特別に設計された堆肥化容器で加速させることができます。デンプンベースのプラスチックは家庭用堆肥容器で2～4ヶ月で分解しますが、ポリ乳酸はほとんど分解されないため、より高い温度が必要です。[22]ポリカプロラクトンおよびポリカプロラクトン-デンプン複合材料は分解速度が遅くなりますが、デンプン含有量が多孔性で表面積の大きいポリカプロラクトンを残すことで分解を促進します。それでも、分解には数ヶ月かかります。[23]

2016年、イデオネラ・サカイエンシスという細菌がPETを分解することが発見されました。2020年には、この細菌のPET分解酵素であるPETaseが遺伝子組み換えされ、MHETaseと組み合わせることで、PETの分解速度が向上し、PEFも分解できるようになりました。[24] [25] [26] 2021年には、研究者らが牛の胃から採取した微生物の混合物が3種類のプラスチックを分解できることを報告しました。[27] [28]

多くのプラスチックメーカーは、自社のプラスチックが堆肥化可能であると謳い、原料にコーンスターチを記載するケースが一般的です。しかし、プラスチック業界は独自の堆肥化の定義に基づいて事業を展開している ため、こうした主張には疑問が残ります。

「堆肥場で生物学的に分解され、視覚的に識別できず、既知の堆肥化可能な材料と一致する速度で二酸化炭素、水、無機化合物、バイオマスに分解されるもの」（参照：ASTM D 6002）[29]

「コンポスト化」という用語は、包装材の生分解性を表すために非公式によく使用されます。堆肥化に至るプロセスである堆肥化可能性については、法的定義が存在します。欧州連合（EU）は4つの基準を提示しています。[30] [31]

  1. 化学組成：揮発性物質、重金属、フッ素を制限する必要があります。
  2. 生分解性: 6 か月以内に生物学的プロセスによって元の材料の 90% 以上が CO2、水、ミネラルに変換されます。
  3. 崩壊性: 元の質量の少なくとも 90% が 2 x 2 mm のふるいを通過できる粒子に分解される必要があります。
  4. 品質: 堆肥化を妨げる有害物質やその他の物質が存在しない。

生分解性技術

生分解性技術は、製品の包装、製造、医療分野において既に確立された技術です。 [32]普及を阻む最大の障壁は、生分解性と性能のトレードオフです。例えば、ラクチド系プラスチックは、従来の素材に比べて包装特性が劣ります。

オキソ生分解は、CEN（欧州標準化機構）によって「酸化および細胞媒介現象によって同時にまたは連続的に生じる分解」と定義されています。「オキソ分解性」や「オキソ分解性」と表現されることもありますが、これらの用語は最初の段階、つまり酸化段階のみを指し、CENが定義するオキソ生分解プロセスによって分解する物質には使用すべきではありません。正しい表現は「オキソ生分解性」です。オキソ生分解性配合物は生分解プロセスを促進しますが、一定期間の耐用年数を確保し、その後分解と生分解が進むように配合物内の成分のバランスをとるには、相当の技術と経験が必要です。[33]

生分解性技術は、特にバイオメディカルコミュニティで活用されています。生分解性ポリマーは、医療用、生態学的、および二重用途の3つのグループに分類され、起源では天然と合成の2つのグループに分けられます。[19]クリーンテクノロジーグループは、常温で高圧下では生分解性プラスチックを使用できる溶媒である超臨界二酸化炭素の使用を活用しています。ポリマー（長い鎖を形成する繰り返し構造単位を持つ分子で構成される材料を意味する）は、体内に注射する前に薬剤をカプセル化するために使用され、通常体内で生成される化合物である乳酸に基づいているため、自然に排泄されます。コーティングは、一定期間にわたって制御された放出のために設計されており、必要な注射回数を減らし、治療効果を最大化します。スティーブ・ハウドル教授は、生分解性ポリマーは薬物送達への応用に特に魅力的であると述べています。これは、一度体内に導入されると、回収や更なる操作を必要とせず、可溶性で無毒な副産物に分解されるためです。ポリマーの種類によって体内での分解速度が異なるため、ポリマーを適切に選択することで、望ましい放出速度を実現できます。[34]

その他の生物医学的用途としては、生分解性で弾性的な形状記憶ポリマーの利用が挙げられます。生分解性インプラント材料は、生分解性熱可塑性ポリマーを用いることで、低侵襲手術に利用できるようになりました。これらのポリマーは、温度上昇に伴い形状を変化させ、形状記憶機能を発揮するだけでなく、容易に分解可能な縫合糸も備えています。その結果、インプラントは小さな切開部にも適合し、医師は複雑な変形を容易に行うことができ、縫合糸やその他の補助材料は手術終了後に自然に生分解されます。[35]

生分解と堆肥化

生分解には普遍的な定義はなく、堆肥化には様々な定義があり、これらの用語の間に多くの混乱が生じています。これらはしばしばひとまとめにされますが、同じ意味を持つわけではありません。生分解とは、細菌や真菌などの微生物、またはその他の生物学的活動によって自然に起こる物質の分解です。[36]堆肥化は、特定の状況下で生分解が起こる人為的なプロセスです。[37]両者の主な違いは、一方が自然に起こるプロセスであり、もう一方が人為的なプロセスであるという点です。

生分解性材料は、酸素源なしで（嫌気的に）二酸化炭素、水、バイオマスに分解することができますが、そのタイムラインはあまり明確に定義されていません。同様に、堆肥化可能な材料は二酸化炭素、水、バイオマスに分解されますが、堆肥化可能な材料も無機化合物に分解されます。堆肥化のプロセスは、人間によって制御されるため、より明確に定義されています。基本的に、堆肥化は最適化された環境による加速された生分解プロセスです。[38]さらに、堆肥化の最終生成物は、元の状態に戻るだけでなく、腐植と呼ばれる有益な微生物を生成して土壌に追加します。この有機物は、将来、より健康な植物を育てるために、庭や農場で使用できます。[39]堆肥化は、より明確なプロセスであり、人間の介入によって促進されるため、より一貫して短い時間枠で発生します。生分解は、さまざまな状況下でさまざまな時間枠で発生する可能性がありますが、人間の介入なしに自然に発生することを意図しています。

この図は有機廃棄物の様々な処分方法を表しています。[40]

堆肥化の中でも、このような状況が発生する状況は様々です。堆肥化には主に家庭用と業務用の2種類があります。どちらも再利用できる健全な土壌を作りますが、主な違いは、どのような材料を堆肥化に使用できるかにあります。[38]家庭用堆肥化は、主に生ゴミや雑草などの庭の余剰材料に使用されます。業務用堆肥化は、トウモロコシ由来のプラスチックなど、より複雑な植物由来製品や、木の枝などの大きな材料を分解することができます。業務用堆肥化は、粉砕機などの機械を用いて材料を手作業で粉砕することから始まります。家庭用堆肥化は通常、小規模で行われ、大型機械は使用されないため、これらの材料は家庭用堆肥化では完全に分解されません。さらに、ある研究では家庭用堆肥化と業務用堆肥化を比較対照し、両方に長所と短所があると結論付けています。[41]

以下の研究は、科学的文脈において堆肥化が生分解のサブセットとして定義されている例を示しています。最初の研究「実験室試験環境における模擬堆肥化条件下でのプラスチックの生分解性評価」は、堆肥化を分解のカテゴリーに該当する一連の状況として明確に検証しています。[42]さらに、次の研究では、化学的および物理的に架橋されたポリ乳酸の生分解および堆肥化効果を検討しました。[43]特に注目すべきは、堆肥化と生分解を2つの異なる用語として議論していることです。3つ目であり最後の研究では、包装業界における生分解性および堆肥化可能な材料の欧州標準化について検討しており、ここでもこれらの用語を個別に使用しています。[44]

これらの用語を区別することは非常に重要です。なぜなら、廃棄物管理の混乱は、人々が日常的に不適切に廃棄物を処分することにつながるからです。生分解技術は、廃棄物の処理方法を大幅に改善しました。現在では、処分プロセスを最適化するために、ゴミ箱、リサイクル用容器、堆肥用容器が存在しています。しかし、これらの廃棄物の流れが一般的に頻繁に混同されている場合、処分プロセスはまったく最適化されていません。[45]生分解性および堆肥化可能な材料は、より多くの人間の排泄物が分解され、元の状態に戻ることを保証し、堆肥化の場合には土壌に栄養を与えることさえできるように開発されました。[46]堆肥化可能な製品が堆肥化されて埋め立て地に送られるのではなく、捨てられると、これらの発明と努力は無駄になります。したがって、市民がこれらの用語の違いを理解し、物質を適切かつ効率的に処分することが重要です。

環境と社会への影響

不法投棄によるプラスチック汚染は、野生生物の健康にリスクをもたらします。動物はプラスチックを餌と間違えて腸に絡まってしまい、腸管に詰まってしまうことがよくあります。ポリ塩化ビフェニル（PCB）、ノニルフェノール（NP）、そしてプラスチックに含まれる農薬などの分解が遅い化学物質は、環境中に放出され、野生生物に摂取される可能性があります。[47]

これらの化学物質は人間の健康にも影響を与えており、汚染された食品の摂取（生体内濃縮および生体内蓄積と呼ばれるプロセス）は、がん[48]、神経機能障害[49]、ホルモン変化などの問題と関連付けられています。近年、生体内濃縮が健康に影響を与えるよく知られた例としては、魚類に含まれる危険な高濃度水銀への曝露の増加が挙げられます。これは人間の性ホルモンに影響を与える可能性があります。[50]

分解が遅いプラスチック、洗剤、金属、その他人間が作り出す汚染物質による被害を修復する取り組みにおいて、経済的なコストが懸念されています。特に海洋ごみは、定量化と評価が極めて困難です。[51]世界貿易研究所の研究者は、浄化活動（特に海洋生態系における）のコストが年間約130億ドルに達していると推定しています。[52]主な懸念は海洋環境にあり、最大の浄化活動は海洋のゴミベルトに集中しています。太平洋ゴミベルトは、メキシコほどの大きさのゴミベルトで、太平洋に位置しています。その面積は100万平方マイル（約160万平方キロメートル）以上と推定されています。このベルトには、ペットボトル、缶、袋といった目に見えるゴミが含まれていますが、微細なマイクロプラスチックはほぼ浄化不可能です。[53] ナショナルジオグラフィック誌は、さらに多くの非生分解性物質が脆弱な環境に流入しており、その量は年間約3,800万個に上ると報告しています。[54]

分解されていない物質は、チューブワームやフジツボなどの外来種の隠れ家となることもあります。外来種によって生態系が変化すると、在来種や資源の自然バランス、遺伝的多様性、種の豊富さが変化します。[55]これらの要因は、変化の影響を受ける狩猟や養殖業といった地域経済を支えている可能性があります。[56]同様に、エコツーリズムに大きく依存している沿岸地域は、汚染の蓄積によって収入を失っています。海岸や砂浜が旅行者にとって魅力的ではなくなるからです。世界貿易研究所はまた、生分解の悪さの影響を最も強く受けているのは、浄化費用を賄う手段を持たない貧しい国々であると指摘しています。[52]こうした正のフィードバックループにより、彼らは自らの汚染源を制御することが困難になっています。[57]

「生分解性」の語源

生分解性という言葉が生物学の文脈で初めて使われたのは1959年で、微生物によって物質が無害な成分に分解されることを説明するために使われました。[58]現在、生分解性という言葉は、炭素循環のような地球の本来の循環の一部であり、自然の要素に分解できる環境に優しい製品と一般的に関連付けられています。

参照

注記

  1. ^ IUPACは生分解を「細胞の作用に起因する酵素プロセスによって引き起こされる分解」と定義し、その定義は「非生物的酵素プロセスを除外するように修正されている」と指摘している。[1]

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ASTM Internationalの規格

  • D5210-都市下水汚泥存在下におけるプラスチック材料の嫌気性生分解性試験方法
  • D5526-加速埋立条件下でのプラスチック材料の嫌気性生分解性を決定するための標準試験方法
  • D5338- 高温条件を含む制御された堆肥化条件下でのプラスチック材料の好気性生分解性を決定するための標準試験方法
  • D5511-高固形分嫌気性消化条件下でのプラスチック材料の嫌気性生分解性を決定するための標準試験方法
  • D5864-潤滑油またはその成分の好気性水中生分解性を決定するための標準試験方法
  • D5988-土壌中のプラスチック材料の好気性生分解性を決定するための標準試験方法
  • D6139-グレッドヒル振盪フラスコを用いた潤滑油またはその成分の好気性水中生分解性を測定するための標準試験方法
  • D6006-油圧作動油の生分解性評価のための標準ガイド
  • D6340- 水性または堆肥環境における放射性標識プラスチック材料の好気性生分解性を決定するための標準試験方法
  • D6691-海洋環境におけるプラスチック材料の好気性生分解性を決定するための標準試験方法（特定の微生物群集または天然海水接種物を使用）
  • D6731-閉鎖呼吸計による潤滑剤または潤滑剤成分の好気性、水中生分解性を測定するための標準試験方法
  • D6954 - 酸化と生分解の組み合わせによって環境中で分解するプラスチックの暴露および試験のための標準ガイド
  • D7044-生分解性難燃性油圧作動油の標準仕様
  • D7373-生体動力学モデルを用いた潤滑油の生分解性予測のための標準試験方法
  • D7475-加速バイオリアクター埋立地条件下におけるプラスチック材料の好気性分解および嫌気性生分解を測定するための標準試験方法
  • D7665-生分解性熱伝達流体の評価のための標準ガイド
  • 欧州バイオプラスチック協会
  • 生分解性プラスチックの科学：生分解性プラスチック包装材の背後にある現実
  • 生分解性プラスチックの定義