Alina Ismagilova: miks biopõhine materjal ei pruugi olla keskkonnale parem

Igal aastal toodetakse maailmas üle 400 miljoni tonni plasti, millest umbes 50% lõpetab enda elutsükli looduses, tuues kaasa süvenevaid keskkonnaprobleeme ja -mõjusid. Kuigi fossiilkütustest toodetud plastid on odavad ja vastupidavad, on neid keeruline ümber töödelda ja nad püsivad looduses sajandeid. Hetkel rakendatav plastjäätmete põletamine pole samuti jätkusuutlik lahendus. Seetõttu otsivadki teadlased ja materjalitööstus üha aktiivsemalt biopõhiseid alternatiive.

Bioplastide peamine lubadus on vähendada sõltuvust naftast ja pakkuda võimalust kasutada taastuvaid tooraineid – taimepõhiseid suhkruid, ligniini või isegi pikemas perspektiivis CO₂. Korrektselt disainituna võib bioplasti elutsükkel olla süsinikuneutraalne või lausa süsiniknegatiivne. Samal ajal pööratakse üha enam tähelepanu toodetud materjalide nii keskkonnatoksikoloogiale kui ka mõjule inimesele.

Bioplastid ei ole alati keskkonnasõbralikum lahendus

Levinud arusaam, et biopõhised materjalid on automaatselt „rohelised“, ei pea paraku paika. Uuringud näitavad, et mitmete biopõhiste kemikaalide ja plastide keskkonnamõju võib olla sama suur või lausa suurem kui naftapõhistel materjalidel. Seda põhjustab asjaolu, et võimalik keskkonnakahju ei piirdu ainuüksi lõpp-produktiga, vaid kogu tootmisprotsessi ja vaheühendite keemilise ehitusega. Tihtipeale on plasti põhikomponendid, monomeerid või sünteesi vaheühendid, oluliselt mürgisemad ja keskkonnale kahjulikumad kui valmis materjal ise.

Mis juhtub biomaterjalidega looduses?

Kuna suur osa inimtekkelisi materjale lõpetab oma elutsükli veekogudes, on veeökotoksikoloogia oluline uute materjalide võimalike keskkonnamõjude hindamisel. Looduskeskkonda sattudes kattuvad plastid kiiresti biofilmiga – bakterite ja teiste mikroorganismide elutegevusega moodustunud kihiga. Tekkinud biofilmid võivad mõjutada materjali lagunemist, aga toimida ka patogeenide ja antibiootikumiresistentsusega seotud geenide reservuaaridena, tekitades uusi ökoloogilisi ja terviseriske. Seega kasutatakse laborikatsetes aina enam mikroorganisme, et mõõta nende reaktsiooni ja vastuvõtlikkust materjalidele ning seeläbi hinnata keskkonnale võimalikku mõju. Tsütotoksilisuse testid annavad aga täiendavat infot riskidest inimesele. See on eriti oluline olukorras, kus biopõhiseid plaste kasutatakse üha enam pakendites, kosmeetikas ja biomeditsiinis.

Tartu Ülikooli uuring

Äsja Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudis läbi viidud uuringus analüüsiti mitut tüüpi biopõhiseid plaste ja monomeere, et hinnata nende materjalide keskkonnamõju ja toksilisust. Uuritavad ühendid hõlmasid isosorbiidipõhiseid materjale, taaskasutatud PLA-st saadud materjale, teatud ligniinipõhiseid metakrülaate ning tööstuses CO₂ kinnipüüdmiseks kasutatavaid amiine. Üldine muster oli selge: monomeerid võisid olla mõõdukalt toksilised, kuid neist sünteesitud polümeerid enamasti mitte. Samuti sõltus toksilisus otseselt konkreetse monomeeri struktuurist – näiteks osutusid kõik akrülaatmonomeerid toksilisemateks võrreldes metakrülaatidega ja see on tõenäoliselt seotud akrülaatide kõrgema reaktsioonivõimega. Polümerisatsiooni järel vähenes aga toksilisus tasemele, mida peetakse ohutuks. Samuti väheneb bioloogiline mõju molekulmassi suurenemisega, kuna suuremad molekulid ei suuda tungida rakkudesse sama lihtsalt kui väiksemad.

Tulemused näitavad, et keskkonnamõju minimiseerimiseks on oluline tagada, et lõppmaterjalid sisaldaksid võimalikult vähe polümeriseerimata monomeere.

Ligniinipõhiseid metakrülaatmonomeere ja vastavaid polümeere hinnati inimese rakuliinidel. Monomeerid ilmutasid mõõdukat tsütotoksilisust, samas kui vastavad polümeerid näitasid märkimisväärselt madalamat mõju ning rakkude eluvõime säilis ka üsna kõrgetel polümeeri kontsentratsioonidel. Tulemused viitavad, et ligniinipõhised polümetakrülaadid võivad pakkuda biopõhist alternatiivi praegu laialt levinud fossiilset päritolu plastidele, näiteks PMMA-le.

Uuringutulemused näitavad, et biopõhised polümeerid võivad pakkuda keskkonnaeeliseid, kui need disainitakse läbimõeldult ja nende ohutus on põhjalikult hinnatud. Üleminek rohelistele materjalidele eeldab mitte ainult taastuvaid tooraineid, vaid ka ranget testimist, et tagada uute lahenduste tegelik ohutus keskkonnale ja inimeste tervisele.

Loe lähemalt jätkusuutliku keemia laborist

Lõputööde teemad tehnoloogiainstituudis