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のことである。^{[ a ] [ 2 ]}生分解とは対照的に、応用例の少ない植物分解は、分解を行うために緑色植物に依存する。

実際には、ほぼすべての化学化合物や物質は生分解の対象となり、その制限要因は時間です。野菜は数日で分解されるのに対し、プラスチックの中には分解に長い時間を要するものもあります。欧州連合が採用している生分解性の基準では、元の物質の90%以上が6ヶ月以内に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なければなりません。生分解は元素には適用されないため、重金属汚染物質は生分解されません_。

生分解のプロセスは、生劣化、生断片化、同化の3 つの段階に分けられます。^{[ 3 ]}生劣化は、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、材料が屋外環境で非生物的要因にさらされ、材料の構造を弱めることでさらに劣化が進むときに発生します。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 ]} 生劣化は通常、生分解の最初の段階として発生しますが、場合によっては生断片化と並行して発生することもあります。^{[ 4 ]}しかし、Hueck ^{[ 5 ]}は、生劣化を、建物の石造りの外壁の崩壊^{[ 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引き起こされる美的変化などを含む、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。^{[ 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、その場所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に取られる手順は、システム内の酸素の存在によっても異なります。酸素が存在するときに微生物によって材料が分解されるのは好気性消化であり、酸素が存在しないとき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、どちらの反応でも二酸化炭素、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、嫌気性消化よりも速く起こりますが、嫌気性消化は材料の体積と質量を減らすのに優れています。^{[ 7 ]}嫌気性消化は廃棄物の量と質量を減らし、天然ガスを生成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る。^{[ 9 ]}

同化段階では、生物断片化によって生じた生成物が微生物細胞に組み込まれます。^{[ 3 ]}断片化によって生じた生成物の一部は、膜キャリアによって細胞内に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得るために、生物変換反応を受ける必要があります。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+ O₂ _→ C_残渣+ C_{バイオマス}+ _CO₂ + _H₂O

嫌気性生分解方程式

C_ポリマー→ C残渣₊ C_{バイオマス}+ _CO₂ + _CH₄ + _H₂O

実際には、ほとんどすべての化学化合物と材料は生分解プロセスの対象となります。しかし、重要なのは、日、週、年、世紀といった、そのようなプロセスの相対的な速度です。有機化合物のこの分解が起こる速度は、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、その生物学的利用可能性によって制限されます。生物学的利用可能性とは、物質がシステムに吸収されるか、生理的活動の場所で利用可能になる速度です。^{[ 11 ]}化合物は、生物が分解する前に溶液中に放出されなければなりません。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、混合物を曝気します。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 CO2 の量は、_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 ]}

製品試験中に生分解速度に影響を与える要因に注意を払うことは、得られる結果が正確で信頼できるものであることを保証するために重要です。承認のために実験室で最適な条件下で生分解性であると試験される材料がいくつかありますが、これらの結果は、要因がより変動する現実世界の結果を反映していない可能性があります。^{[ 13 ]}たとえば、実験室で高い生分解速度で試験された材料は、埋立地では高い速度で分解されない可能性があります。これは、埋立地では分解に必要な光、水、微生物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に関する基準があることは非常に重要です。正確な標準試験方法の開発と使用は、生産および販売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され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の1つがDINV 54900です。^{[ 16 ]}

近年の進歩により、バイオセンサーと機械学習を組み合わせたポリマー生分解のリアルタイムモニタリングが可能になり、さまざまな環境条件下での分解評価の精度が向上した。^{[ 17 ]}

生分解性技術は、製品包装、製造、医療分野で応用されている確立された技術です。^{[ 33 ]}広く普及する上での主な障壁は、生分解性と性能のトレードオフです。例えば、ラクチド系プラスチックは、従来の材料と比較し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「酸化現象と細胞媒介現象が同時または連続的に起こることに起因する分解」と定義されています。これらの用語は「オキソ断片化可能」や「オキソ分解可能」と表現されることもありますが、これらは最初の酸化段階のみを説明するものであり、CENで定義されているオキソ生分解の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「オキソ生分解可能」です。オキソ生分解性製剤は生分解プロセスを加速しますが、一定期間製品が有用であり、その後分解と生分解が起こるように製剤内の成分のバランスを取るには、かなりのスキルと経験が必要です。^{[ 34 ]}

生分解性技術は、特に生物医学分野で活用されています。生分解性ポリマーは、医療用、環境用、およびデュアル用途の 3 つのグループに分類され、起源の観点からは天然と合成の 2 つのグループに分けられます。^{[ 20 ]}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製造できる溶媒です。ポリマー（繰り返し構造単位を持つ分子で構成され、長い鎖を形成す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、体内で通常生成される化合物である乳酸をベースとしているため、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放出するように設計されており、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に特に魅力的であると述べている。なぜなら、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からである。異なるポリマーは体内で異なる速度で分解されるため、ポリマーの選択を調整することで、望ましい放出速度を達成することができる。^{[ 35 ]}

その他の生物医学的応用としては、生分解性弾性形状記憶ポリマーの使用が挙げられる。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介して低侵襲手術に使用できるようになった。これらのポリマーは、温度の上昇に伴って形状を変化させることができ、形状記憶機能と容易に分解される縫合糸を実現している。その結果、インプラントは小さな切開部から挿入でき、医師は複雑な変形を容易に行うことができ、縫合糸やその他の材料補助は手術完了後に自然に生分解される。^{[ 36 ]}

生分解には普遍的な定義はなく、堆肥化にも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。これらはしばしば一緒に扱われますが、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、または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。^{[ 37 ]}堆肥化は、特定の条件下で生分解が発生する、人間主導のプロセスです。^{[ 38 ]}両者の主な違いは、一方は自然に発生するプロセスであり、もう一方は人間主導のプロセスであるということです。

生分解性物質は、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能力がありますが、その時間はあまり具体的に定義されていません。同様に、堆肥化可能な物質は二酸化炭素、水、バイオマスに分解されますが、堆肥化可能な物質は無機化合物にも分解されます。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り加速された生分解プロセスです。^{[ 39 ]}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。^{[ 40 ]}堆肥化は、より明確に定義されたプロセスであり、人間の介入によって促進されるため、より短い時間枠でより一貫して発生します。生分解は、さまざまな状況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目的としています。

コンポスト化の中でも、このようなことが起こる状況は様々です。コンポスト化の主な種類は、家庭用と業務用です。どちらも再利用できる健康な土壌を生成しますが、主な違いは、プロセスに投入できる材料の種類にあります。^{[ 39 ]}家庭用コンポスト化は、主に食品廃棄物や雑草などの余剰の庭の材料に使用されます。業務用コンポスト化は、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の製品や、木の枝などの大きな材料を分解することができます。業務用コンポスト化は、グラインダー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。家庭用コンポスト化は通常小規模で行われ、大型機械を使用しないため、これらの材料は家庭用コンポスト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コンポスト化と工業用コンポスト化を比較対照し、どちらにも長所と短所があると結論付けています。^{[ 42 ]}

以下の研究では、堆肥化が科学的な文脈で生分解のサブセットとして定義されている例が示されています。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、堆肥化が分解のカテゴリーに属する一連の状況として明確に検討されています。^{[ 43 ]}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と堆肥化の影響を調べています。^{[ 44 ]}特に、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欧州標準化をレビューしており、ここでも用語は別々に使用されています。^{[ 45 ]}

これらの用語の区別は非常に重要です。なぜなら、廃棄物管理の混乱は、人々が日常的に不適切な方法で廃棄物を処理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、廃棄物処理プロセスを最適化するために、ごみ箱、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ると、廃棄物処理プロセスは全く最適化されません。^{[ 46 ]}生分解性および堆肥化可能な材料は、人間の廃棄物の多くを分解して元の状態に戻すこと、または堆肥化の場合は土壌に栄養分を加えることを保証するために開発されました。^{[ 47 ]}堆肥化可能な製品が堆肥化されずに捨てられ、埋立地に送られると、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、野生生物に健康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ることが多く、腸に絡まる原因となります。ポリ塩化ビフェニル（PCB）、ノニルフェノール（NP）、農薬など、プラスチックに含まれる分解の遅い化学物質が環境中に放出され、その後野生生物に摂取される可能性もあります。 ^{[ 48 ]}

これらの化学物質は人間の健康にも影響を与え、汚染された食品の摂取（生物濃縮や生物蓄積と呼ばれるプロセス）は、癌^{[ 49 ]} 、神経機能障害^{[ 50 ]}、ホルモン変化などの問題と関連付けられています。近年、生物濃縮が健康に影響を与えているよく知られた例としては、魚に含まれる危険なほど高濃度の水銀への曝露の増加があり、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^{[ 51 ] 。}

人間が作り出した分解の遅いプラスチック、洗剤、金属、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事項となっている。特に海洋ごみは定量化や評価が非常に難しい。^{[ 52 ]}世界貿易研究所の研究者らは、清掃活動のコスト（特に海洋生態系において）が年間130億ドル近くに達していると推定している。^{[ 53 ]}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ごみの塊を中心に行われている。メキシコほどの大きさのごみの塊である太平洋ごみの塊は太平洋に位置し、その大きさは100万平方マイル以上と推定されている。この塊にはより分かりやすいごみ（ペットボトル、缶、袋）が含まれているが、微細なマイクロプラスチックはほぼ除去不可能である。^{[ 54 ]}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、その数は年間約3800万個に上ると報告している。^{[ 55 ]}

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します。外来種に対応して生態系が変化すると、在来種や資源の自然なバランス、遺伝的多様性、種の豊富さが変化します。^{[ 56 ]}これらの要因は、狩猟や養殖といった形で地域経済を支える可能性がありますが、変化に対応してこれらの経済は打撃を受けます。^{[ 57 ]}同様に、エコツーリズムに大きく依存している沿岸コミュニティは、汚染の蓄積により、ビーチや海岸が旅行者にとって魅力的な場所ではなくなるため、収入を失います。世界貿易研究所はまた、生物分解の不十分さによる影響を最も強く受けるコミュニティは、浄化費用を支払う手段を持たない貧しい国々であることが多いと指摘しています。^{[ 53 ]}正のフィードバックループ効果により、今度は彼らが自らの汚染源を制御するのに苦労します。^{[ 58 ]}

生物学的文脈で生分解性という言葉が初めて使われたのは1959年で、微生物による物質の無害な成分への分解を説明するために用いられた。^{[ 59 ]}現在では、生分解性は、炭素循環のような地球固有の循環の一部であり、自然の要素に分解される能力を持つ環境に優しい製品と一般的に関連付けられている。

• 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実態
• 生分解性プラスチックの定義