จุลินทรีย์ผู้สร้างและผู้ทำลายพลาสติก

นิตยาพร  สมภักดีย์
นักทดลองวิทยาศาสตร์บริการ
ห้องปฏิบัติการทดสอบการสลายตัวทางชีวภาพของวัสดุ
ศูนย์พัฒนาและวิเคราะห์สมบัติของวัสดุ

          ขยะพลาสติกจากการใช้งานด้านบรรจุภัณฑ์ เช่น ถุงใส่อาหาร ขวดเครื่องดื่ม กล่องโฟม จัดเป็นปัญหามลพิษสิ่งแวดล้อมที่สำคัญอันดับต้นๆของโลก เนื่องจากผลิตภัณฑ์เหล่านี้เป็นพลาสติกที่ผลิตจากพอลิเมอร์สังเคราะห์จากอุตสาหกรรมปิโตรเคมี มีปริมาณความต้องการใช้งานที่สูงมากแต่ระยะการใช้งานสั้น ก่อให้เกิดปัญหาปริมาณขยะพลาสติกล้นเมืองขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากมีความคงทนสูง เมื่อถูกทิ้งให้เป็นขยะจะต้องใช้เวลาในการสลายตัวตามธรรมชาติไม่ต่ำกว่า 20 ปีไปจนถึงมากกว่า 1,000 ปี

 

image001
ขยะในบ่อฝังกลบของไทย

          จุลินทรีย์…สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่เป็นประโยชน์ในการผลิตและถนอมอาหาร ตลอดจนการย่อยสลายซากพืชซากสัตว์ สามารถนำมาประยุกต์ใช้ทั้งในอุตสาหกรรมอาหาร การแพทย์ การเกษตร เป็นต้น สำหรับด้านการอนุรักษ์และฟื้นฟูสิ่งแวดล้อมที่เป็นปัญหาจากการดำเนินชีวิตประจำวันของมนุษย์ จุลินทรีย์จัดเป็นสิ่งมีชีวิตมหัศจรรย์ที่เป็นทั้งผู้สร้างและผู้ทำลายพลาสติก  กล่าวคือ นอกจากการสลายตัวของพลาสติกที่เกิดขึ้นได้โดยกิจกรรมของจุลินทรีย์ในธรรมชาติที่ต้องใช้ระยะเวลาที่ยาวนานแล้ว จุลินทรีย์บางชนิดสามารถที่จะผลิตพลาสติกที่มีคุณสมบัติพิเศษ คือ นำมาใช้ประโยชน์ได้เหมือนผลิตภัณฑ์พลาสติกที่ผลิตจากอุตสาหกรรมปิโตรเคมี  แต่สลายตัวได้ง่ายในธรรมชาติ หรือที่เรียกกันว่า “พลาสติกชีวภาพ” ซึ่งในปัจจุบันพลาสติกชีวภาพที่นำมาใช้ประโยชน์อย่างแพร่หลาย ได้แก่

          1. Polylactic acid (PLA) เป็นพลาสติกชีวภาพชนิดแรกที่มีงานวิจัยรองรับและได้รับความสนใจในเชิงพาณิชย์มากที่สุด ซึ่งมีส่วนแบ่งทางการตลาดมากถึงร้อยละ 54 โดยทั่วไป กระบวนการผลิต PLA เริ่มจาก การผลิตกรดแลคติกจากกิจกรรมของจุลินทรีย์กลุ่มแลคติกแอซิดแบคทีเรียในกระบวนการหมักวัตถุดิบธรรมชาติ อาทิ แป้งข้าวโพด แป้งมันสำปะหลัง เป็นต้น จากนั้น นำกรดแลคติกมาผ่านกระบวนการทางเคมี เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างให้เป็นสารใหม่ที่มีโครงสร้างทางเคมีเป็นวงแหวนเรียกว่า แลคไทด์ แล้วนำมากลั่นในระบบสุญญากาศเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างได้เป็นพอลิเมอร์ของแลคไทด์ ที่เป็นสายยาวขึ้น (Polymerization) เรียกว่า PLA ผลิตภัณฑ์จาก PLA มีหลากหลายชนิด อาทิ แก้วน้ำ กล่องบรรจุอาหาร ถุงใส่ของ เป็นต้น หลังสิ้นสุดการใช้งาน ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ถูกย่อยสลายได้ง่ายด้วยจุลินทรีย์ในธรรมชาติ

PLA-1

Polylactic acid รูปแบบ pellets
(http://www.alibaba.com/product-detail)

PLA-2

ผลิตภัณฑ์จาก Polylactic acid
(http://www.nkrpackage.com/site/bioplastic.html)

 

         2. Polyhydroxyalkanoates (PHAs)  เป็นโพลิเมอร์ที่จุลินทรีย์ เช่น Ralstonia eutropha, Rhodobacter shaeroides, Pseudomas putida   สร้างขึ้นเพื่อเป็นแหล่งพลังงานสะสมในเซลล์ การสร้าง PHAs จะเกิดขึ้นเมื่อแหล่งอาหาร เช่น ไนโตรเจนหรือฟอสฟอรัสขาดแคลน ในขณะที่มีแหล่งคาร์บอนอื่นๆ อยู่มากเกินความจำเป็น การผลิต PHA เริ่มต้นจากการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ในอาหารเลี้ยงเชื้อที่เหมาะสมต่อสะสม PHA เมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์ตรวจดูที่เซลล์ของจุลินทรีย์จะเห็น PHAs เป็นแกรนูลขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.2-0.5 ไมโครเมตร กระจายอยู่ทั่วไปในไซโทพลาซึม เมื่อสิ้นสุดการเพาะเลี้ยงจะนำเซลล์จุลินทรีย์มาสกัดและทำบริสุทธิ์ให้ได้ PHA  ปัจจุบันมีการนำพลาสติกชีวภาพในกลุ่ม PHA มาใช้ในการผลิตเป็นผลิตภัณฑ์หลายชนิด เช่น แก้วน้ำ ฝาขวดน้ำ ฝาแก้ว รวมทั้งเป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารเคมีกลุ่ม Fire chemical และวัสดุเคลือบบรรจุภัณฑ์ เป็นต้น

PHA-2

PHAs ภายในเซลล์ของ Rhodobacter shaeroides
(http://www.biotechnologyforums.com/thread-2280.html)                        

PHA-7

ผลิตภัณฑ์จาก PHAs
(https://www.biooekonomie-bw.de/en/articles/news/bacteria-to-produce-bioplastics/)

 

          อย่างไรก็ตาม วัสดุใดๆในโลกต้องมีวันเสื่อมสลาย หรือเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นรูปแบบอื่น โดยอาศัยปัจจัยต่างๆ ทั้งปัจจัยที่ไม่มีชีวิต เช่น แสง ความร้อน ความชื้น ความเป็นกรด ด่าง เป็นต้น และปัจจัยที่มีชีวิต คือ จุลินทรีย์ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในกระบวนการ “ย่อยสลายทางชีวภาพ”

          การย่อยสลายทางชีวภาพของวัสดุทั่วไปหลังจากทิ้งไว้ตามที่ต่างๆ ทั้งบนดิน ในแหล่งน้ำ หรือในทะเล เมื่อได้รับแสง ความร้อน ความชื้น กรด ด่างในระยะเวลาหนึ่ง วัสดุเหล่านั้นจะมีการเสื่อมของโครงสร้างทางเคมี จากวัสดุที่มีขนาดใหญ่จะมีขนาดเล็กลงไปเรื่อยๆ และเมื่อมีขนาดเล็กกว่า  0.2 ไมโครเมตร จุลินทรีย์จะสามารถดูดซึมเข้าสู่เซลล์เพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานในการเจริญเติบโต ทั้งนี้ ถ้าเป็นการย่อยสลายแบบใช้ออกซิเจน จะได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย ในขณะที่การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน จะได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และก๊าซมีเทน กลับคืนสู่สิ่งแวดล้อม กล่าวได้ว่าการย่อยสลายโดยจุลินทรีย์เป็นกระบวนการที่ปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

 

เอกสารอ้างอิง

สำนักงานนวัตกรรมแห่งชาติ. 2556. INNOVATION TREND: พลาสติกชีวภาพ. http://www.nia.or.th/innolinks/page.php.

ประดินันท์ เอี่ยมสะอาด. 2560. โพลีไฮดรอกซีอัลคาโนเอตซ พลาสติกชีวภาพจากแบคทีเรีย. วารสารวิชาการพระจอมเกล้าพระนครเหนือ. ปีที่ 27. ฉบับที่ 1. หน้า 147-158.

จตุพร วุฒิกนกกาญจน์และคณะฯ. 2556.  การพัฒนาบรรจุภัณฑ์ จากพลาสติกชีวภาพชนิด PLA. คณะพลังงานสิ่งแวดและวัสดุ. มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี.
http://www.seem.kmutt.ac.th/research/pentec/interestingarticle.php.

วว. กับการทดสอบการสลายตัวทางชีวภาพ

โดย ดร. อัญชนา พัฒนสุพงษ์

test1
มลภาวะสิ่งแวดล้อมจากขยะพลาสติกที่มีปริมาณการใช้สูงมาก การผลักดันให้ใช้ผลิตภัณฑ์ชีวภาพเป็นแนวทางหนึ่งในการแก้ไขปัญหานี้ อย่างไรก็ตาม ระยะเวลาในการสลายตัวของผลิตภัณฑ์ชีวภาพนั้น นอกจากจะขึ้นกับวัตถุดิบในการผลิต ขนาดของผลิตภัณฑ์ ตลอดจนลักษณะการใช้งานแล้ว ที่สำคัญยังขึ้นกับสภาพแวดล้อมของพื้นที่ที่นำไปทิ้งหรือฝังกลบด้วย ดังนั้น การตรวจสอบการสลายตัวได้ทางชีวภาพในระดับภาคสนามหรือในห้องปฏิบัติการ เป็นทางหนึ่งที่สามารถประเมินสมบัติการสลายตัวของผลิตภัณฑ์ในสภาวะธรรมชาติได้

 

     สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย (วว.) โดยฝ่ายวิทยาศาสตร์ชีวภาพ ได้ริเริ่มศึกษาการสลายตัวทางชีวภาพของวัสดุ มาตั้งแต่ปี 2551 โดยได้ร่วมกับคณะเกษตรศาสตร์ทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยนเรศวร และได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนจากคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ (วช.) ซึ่งประสบความสำเร็จในการพัฒนาวิธีการตรวจสอบการสลายตัวของวัสดุทดสอบชนิดพลาสติกชีวภาพในเบื้องต้น (preliminary biodegradation test) โดยใช้หลักการตรวจวัดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สะสมที่เกิดจากกิจกรรมการสลายตัวของวัตถุทดสอบโดยจุลินทรีย์ในปุ๋ยหมัก ภายใต้สภาวะควบคุมในระดับห้องปฏิบัติการ เป็นวิธีการที่รวดเร็ว แม่นยำ และมีค่าใช้จ่ายที่น้อยกว่าการทดสอบตามมาตรฐานสากล ทั้งนี้ วว. ได้ยื่นจดสิทธิบัตรและให้บริการทดสอบดังกล่าวนี้แก่หน่วยงานภาครัฐและเอกชนมาตั้งแต่ปี 2553

     กล่าวได้ว่า วว. เป็นหน่วยงานหนึ่งที่มีความพร้อมด้านองค์ความรู้ บุคลากร รวมทั้งเครื่องมืออุปกรณ์ ในการจัดตั้งห้องปฏิบัติการทดสอบการสลายตัวทางชีวภาพ (Biodegradability Testing Laboratory) ที่มีศักยภาพในการให้บริการวิเคราะห์พลาสติกสลายตัวได้ทางชีวภาพตามมาตรฐานสากล ISO 17088 ซึ่งสอดคล้องกับมาตรฐานอุตสาหกรรม มอก. 17088-2555 และได้รับการยอมรับให้ขึ้นทะเบียนกับสถาบัน DIN CERTCO ประเทศเยอรมนีตั้งแต่ปี 2557 โดยขณะนี้อยู่ระหว่างการจัดตั้งศูนย์ทดสอบการสลายตัวทางชีวภาพที่มีระบบการบริหารงานที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐานสากล ISO/ IEC 17025 จากหน่วยรับรองระบบงาน (Accreditation body) ที่เป็นที่ยอมรับ และสามารถให้บริการวิจัยด้านการบำบัดสารอันตรายตกค้างในสิ่งแวดล้อม รวมถึงบริการวิเคราะห์ทดสอบการสลายตัวได้ทางชีวภาพของวัตถุดิบหรือผลิตภัณฑ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อได้มาซึ่งข้อมูลที่ยืนยันถึงคุณภาพของผลิตภัณฑ์ด้วยวิธีการตามมาตรฐานสากล

     การวิเคราะห์ทดสอบการสลายตัวทางชีวภาพโดยห้องปฏิบัติการของ วว. นี้  นอกจากจะสอดคล้องกับการพัฒนาอุตสาหกรรมพลาสติกชีวภาพในประเทศไทย ซึ่งเป็นนโยบายสำคัญของรัฐบาลแล้ว ยังเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อผู้ประกอบการอุตสาหกรรมด้านวัสดุย่อยสลายได้ทางชีวภาพของประเทศ เนื่องจากเป็นการสร้างความเชื่อมั่นในคุณภาพด้านความปลอดภัยของบรรจุภัณฑ์และผลิตภัณฑ์ที่ทำจากวัสดุชีวภาพของไทย ทำให้คู่ค้าทั้งในประเทศและต่างประเทศยอมรับ เพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันและการส่งออกสินค้า และที่สำคัญยังช่วยแก้ปัญหาการกีดกันทางการค้าด้านสิ่งแวดล้อมจากหลายประเทศทั่วโลกที่ให้ความสำคัญอย่างมากกับปัญหาขยะพลาสติก จึงนับได้ว่า เป็นความภาคภูมิใจของ วว. ที่มีส่วนช่วยให้อุตสาหกรรมไทยพัฒนาศักยภาพไปสู่ความเป็นมาตรฐานสากลที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

test3