生分解

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、それが堆肥化と区別されます。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 つに分かれています。まず、物体は生分解を受け、構造が機械的に弱くなります。次に、微生物によって物質が分解される生分解が起こり、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、ほとんどすべての化合物や物質は生分解されますが、その鍵となるのは時間です。野菜などは数日で分解しますが、ガラスや一部のプラスチックは分解するのに何千年もかかります。欧州連合が採用している生分解性の基準は、元の物質の 90% 以上が 6 か月以内に生物学的プロセスによって CO2、水、ミネラルに変換されなければならないという_ものです。

生分解のプロセスは、生分解、生物分解、同化の 3 つの段階に分けられます。^[3]生分解は、材料の機械的、物理的、化学的特性を変化させる表面レベルの劣化として説明されることがあります。この段階は、材料が屋外環境の非生物的要因にさらされたときに発生し、材料の構造を弱めることでさらに劣化が進む可能性があります。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、生分解の最初の段階として発生しますが、場合によっては、生物分解と並行して発生することもあります。^[4] Hueck は、^{[5]ただし、生分解を、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、または単に生物の成長によって人工構造物に誘発される美的変化など、生物が人間の材料に及ぼす望ましくない作用と定義しました。^[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ための手順も、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を分解することは嫌気性消化です。^[7]これらのプロセスの主な違いは、嫌気性反応はメタンを生成するのに対し、好気性反応は生成しないことです（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、嫌気性消化は材料の体積と質量をより効果的に削減します。^{[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使用されています。^[9]

同化段階では、バイオフラグメンテーションから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からの生成物の一部は、膜キャリアによって細胞内で容易に輸送されます。しかし、他の生成物は、細胞内に輸送できる生成物を生成するために、バイオ変換反応を経る必要があります。細胞内に入ると、生成物は異化経路に入り、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

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、たとえば日、週、年、または数世紀にあります。この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。要因には、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、物質がシステムに吸収される速度、または生理活動の場所で利用可能になる速度です。 ^[11]生物が化合物を分解する前に、化合物を溶液中に放出する必要があるためです。生分解速度は、いくつかの方法で測定できます。好気性微生物には、呼吸測定テストを使用できます。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。結果として生じるCO ₂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]

製品テスト中に生分解率に影響を与える要因に注意し、正確で信頼できる結果が得られるようにすることが重要です。いくつかの材料は、承認のために最適な条件下ではラボで生分解性であるとテストされますが、これらの結果は、要因がより変動する現実世界の成果を反映していない可能性があります。^[13]たとえば、ラボで高率で生分解するとテストされた材料は、埋立地では高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]したがって、環境に大きな影響を与えるプラスチック生分解性製品の基準があることは非常に重要です。正確な標準テスト方法の開発と使用は、生産および商品化されているすべてのプラスチックが実際に自然環境で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テストの 1 つが DINV 54900 です。^[16]

生分解性プラスチックとは、実用時には機械的強度を維持するが、使用後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。^[18]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ることができます。^[19]

プラスチックの生分解速度は非常に様々です。 PVCベースの配管は、生分解に抵抗するため、下水処理に選択されます。 一方、環境にさらされるとすぐに分解する包装材料も開発されています。^[20]生分解が速い合成ポリマーの例には、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あります。これは、エステル結合が水による攻撃を受けやすいためです。 代表的な例は、再生可能なポリ乳酸であるポリ-3-ヒドロキシ酪酸です。 他には、セルロースベースの酢酸セルロースとセルロイド（セルロースナイトレート）があります。

酸素の少ない環境では、プラスチックの分解は遅くなります。分解プロセスは、特別に設計された堆肥の山で加速できます。デンプンベースのプラスチックは、家庭用の堆肥容器で2〜4か月以内に分解しますが、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。^[21]ポリカプロラクトンとポリカプロラクトン-デンプン複合材料は分解が遅くなりますが、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加速します。それでも、何ヶ月もかかります。^[22]

2016年、イデオネラ・サカイエンシスという細菌がPETを分解することがわかりました。2020年には、この細菌のPET分解酵素PETaseを遺伝子組み換えし、MHETaseと組み合わせてPETをより速く分解し、PEFも分解できるようになりました。^{[23] [24] [25] 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と報告しました。^{[26] [27]}

多くのプラスチック製造業者は、自社のプラスチックは堆肥化可能であるとまで主張し、通常はコーンスターチを原料として挙げています。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行っている ため、こうした主張には疑問があります。

「堆肥場で生物学的に分解され、視覚的に判別できず、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）^[28]

「堆肥化」という用語は、包装材料の生分解性を説明するために非公式によく使用されます。堆肥化につながるプロセスである堆肥化可能性には法的定義があります。欧州連合は4つの基準を提示しています。^{[29] [30]}

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：有毒物質や堆肥化を妨げるその他の物質が存在しない。

生分解性技術は、製品の包装、製造、医療の分野でいくつかの用途を持つ確立された技術です。^[31]広範囲にわたる導入における主な障壁は、生分解性と性能のトレードオフです。例えば、ラクチドベースのプラスチックは、従来の材料と比較して包装特性が劣っています。

オキソ生分解は、CEN（欧州標準化機構）によって「同時または連続的に酸化および細胞媒介現象によって生じる分解」と定義されています。「オキソ分解性」や「オキソ分解性」と説明されることもありますが、これらの用語は最初の段階または酸化段階のみを説明しており、CEN によって定義されたオキソ生分解プロセスによって分解する物質には使用しないでください。正しい説明は「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加速しますが、配合物内の成分のバランスを取り、一定期間の耐用年数を確保し、その後分解と生分解を行うには、かなりのスキルと経験が必要です。^[32]

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、二重用途の3つのグループに分類され、起源に関しては天然と合成の2つのグループに分けられます。^[18]クリーンテクノロジーグループは、超臨界二酸化炭素の使用を活用しています。これは、室温で高圧下では、生分解性プラスチックを使用してポリマー薬剤コーティングを行うことができる溶媒です。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します）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、必要な注射の回数を減らし、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体内に導入されると回収やさら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、薬物送達に使用するのに特に魅力的であると述べています。異なるポリマーは体内で異なる速度で分解するため、ポリマーの選択を調整して、望ましい放出速度を達成することができます。^[33]

その他の生物医学的用途としては、生分解性で弾性のある形状記憶ポリマーの使用がある。生分解性インプラント材料は、分解性熱可塑性ポリマーを使用することで、低侵襲性外科手術に使用できるようになった。これらのポリマーは、温度の上昇とともに形状を変化させることができるため、形状記憶機能と簡単に分解できる縫合糸が得られる。その結果、インプラントは小さな切開部にもフィットし、医師は複雑な変形を簡単に行うことができ、縫合糸やその他の補助材料は手術完了後に自然に生分解する。^[34]

生分解には普遍的な定義はなく、堆肥化にはさまざまな定義があるため、これらの用語の間で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、同じ意味ではありません。生分解とは、細菌や真菌などの微生物やその他の生物学的活動によって自然に発生する物質の分解です。^[35]堆肥化は、特定の状況下で生分解が発生する人為的なプロセスです。^[36] 2つの主な違いは、1つのプロセスが自然に発生し、もう1つが人為的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、タイムラインはあまり具体的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、より具体的に定義されています。基本的に、堆肥化は最適化された状況による加速された生分解プロセスです。^[37]さらに、堆肥化の最終製品は、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。^[38]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内で発生します。生分解は、さまざまな状況下では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。

堆肥化の中でも、このようなことが起こる状況は様々です。堆肥化には主に家庭で行われるものと商業で行われるものの 2 種類があります。どちらも再利用できる健康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プロセスに使用できるかという点にあります。^[37]家庭での堆肥化は、主に食品廃棄物や雑草などの庭の余剰材料に使用されます。商業用堆肥化は、トウモロコシ由来のプラスチックなどの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。商業用堆肥化は、粉砕機などの機械を使用して材料を手作業で分解することから始まります。家庭での堆肥化は通常、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での堆肥化では完全に分解されません。さらに、ある研究では、家庭での堆肥化と産業用堆肥化を比較対照し、どちらにも長所と短所があると結論付けています。^[40]

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の評価」では、堆肥化を分解のカテゴリに該当する一連の状況として明確に検討しています。^[41]さらに、この次の研究では、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。^[42]注目すべきことに、堆肥化と生分解を2つの異なる用語として議論しています。3番目で最後の研究では、包装業界における生分解性および堆肥化可能な材料のヨーロッパ標準化をレビューし、ここでも用語を個別に使用しています。^[43]

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、廃棄物の処分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、リサイクル容器、堆肥容器が存在します。しかし、これらの廃棄物の流れが一般的かつ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。^[44]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して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加えることさえできるようにするために開発されました。^[45]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、材料を適切かつ効率的に処分することが重要です。

不法投棄によるプラスチック汚染は、野生動物に健康リスクをもたらします。動物はプラスチックを食物と間違えることが多く、腸に絡まってしまいます。プラスチックに含まれるポリ塩化ビフェニル（PCB）、ノニルフェノール（NP）、農薬などの分解が遅い化学物質は環境に放出され、野生動物に摂取される可能性があります。 ^[46]

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（生物濃縮および生物蓄積と呼ばれるプロセス）は、がん、^[47]、神経機能障害、^[48]、ホルモンの変化などの問題に関連しています。近年、生物濃縮が健康に影響を与えるよく知られた例としては、魚に含まれる危険な高レベルの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及ぼす可能性があります。^[49]

分解が遅いプラスチック、洗剤、金属、および人間が作り出したその他の汚染物質による被害を修復する取り組みにおいて、経済的コストが懸念されている。特に海洋ごみは、数値化や評価が著しく難しい。^[50]世界貿易研究所の研究者は、清掃活動のコスト（特に海洋生態系）は年間130億ドル近くに達したと推定している。^[51]主な懸念は海洋環境から生じており、最大の清掃活動は海洋のゴミベルトに集中している。太平洋ゴミベルトは、メキシコと同じ大きさのゴミベルトで、太平洋に位置している。その広さは100万平方マイル以上と推定されている。このベルトには、より明らかなゴミの例（ペットボトル、缶、袋）が含まれているが、小さなマイクロプラスチックは、清掃がほぼ不可能である。^[52] ナショナルジオグラフィックは、さらに多くの非生分解性物質が脆弱な環境に流れ込んでおり、年間約3,800万個に達していると報告している。^[53]

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しても機能する。外来種に応じ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、種の豊富さが変化する。^[54]これらの要因は、変化に応じて苦しむ狩猟や養殖という形で地域経済を支える可能性がある。^[55]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、汚染の蓄積により収入を失っている。ビーチや海岸が旅行者にとって魅力的ではなくなるためである。世界貿易研究所はまた、生物分解不良の影響を最も強く受けることが多いのは、清掃費用を支払う手段のない貧しい国であると指摘している。^[51]正のフィードバックループ効果で、今度は彼ら自身の汚染源を制御するのが困難になる。^[56]

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。^[57]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サイクルの一部であり、自然の要素に戻ることができる環境に優しい製品とよく関連付けられています。

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