Aditif biodegradable adalah aditif yang meningkatkan biodegradasi polimer dengan memungkinkan mikroorganisme untuk memanfaatkan karbon dalam rantai polimer sebagai sumber energi. Aditif biodegradable menarik mikroorganisme ke polimer melalui penginderaan kuorum setelah pembuatan biofilm pada produk plastik. Aditif umumnya dalam formasi masterbatch yang menggunakan resin pembawa seperti polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) atau polyethylene terephthalate (PET).

Plastik sintetik yang paling umum tidak dapat terurai secara hayati, dan sifat kimia dan fisik plastik memainkan peran penting dalam proses degradasi plastik. Penambahan aditif biodegradable dapat mempengaruhi mekanisme degradasi plastik dengan mengubah sifat kimia dan fisik plastik untuk meningkatkan laju degradasi. Aditif biodegradable dapat mengubah proses degradasi plastik menjadi salah satu biodegradasi. Alih-alih terdegradasi hanya oleh faktor lingkungan, seperti sinar matahari (foto-oksidasi) atau panas (degradasi termal), aditif biodegradable memungkinkan polimer terdegradasi oleh mikroorganisme dan bakteri melalui serangan langsung atau tidak langsung.

Sementara beberapa aditif plastik hanya mempengaruhi permukaan plastik (mis. pewarna), aditif biodegradable yang efektif harus mengubah interior plastik dan juga sifat kimianya. Aditif biodegradable yang baik mempercepat laju degradasi dengan mengurangi kekuatan sifat-sifat tertentu dari polimer dan meningkatkan daya tariknya terhadap mikroorganisme.

Secara umum, proses biodegradasi plastik mikrobial menghasilkan penurunan berat molekul polimer yang cukup besar sehingga menyebabkan plastik kehilangan integritas strukturalnya. Ada beberapa cara berbeda di mana mikroorganisme dapat melakukan proses degradasi plastik, dan mekanismenya sedikit berbeda tergantung pada kondisi lingkungan.

1.     Tindakan Langsung

Beberapa mikroorganisme dapat langsung mengkonsumsi pecahan plastik dan menggunakan karbon sebagai sumber nutrisi. Misalnya, Brevibacillus borstelensis, Rhodococcus rubber, Pseudomonas chlororaphis, dan Comamonas acidovorans TB-35 semuanya telah ditunjukkan secara eksperimental untuk menggunakan tindakan langsung untuk mengonsumsi polietilen. Untuk plastik lain yang kurang umum digunakan, peneliti hanya menemukan satu strain mikroba yang mampu secara langsung mendegradasi plastik tertentu. Penelitian lebih lanjut saat ini sedang dilakukan untuk menemukan strain mikroba lain yang dapat secara efektif mengurai plastik.

Berat molekul polimer memainkan peran penting dalam apakah mikroorganisme dapat menggunakan tindakan arah untuk memecah plastik karena cukup sulit bagi mikroorganisme untuk secara langsung mendegradasi polimer dengan berat molekul tinggi. Gugus fungsi pada polimer juga menentukan apakah suatu polimer akan terdegradasi secara langsung, dengan substituen yang besar lebih sulit untuk didegradasi.

2.     Tindakan Tidak Langsung

Mikroba yang terlibat dalam pemecahan plastik berbasis fosil biasanya menggunakan mekanisme tidak langsung di mana enzim mikroba memecah plastik. Melalui tindakan tidak langsung, produk metabolisme mikroorganisme mempengaruhi sifat-sifat plastik, yang mengakibatkan degradasi.

Biodegradasi mikroba berbasis enzim dapat terjadi dalam dua kondisi: aerobik dan anaerobik. Plastik biasanya terdiri dari polimer hidrofobik, sehingga langkah pertama biodegradasi di bawah kedua kondisi melibatkan pemecahan polimer oleh enzim menjadi konstituen yang lebih kecil seperti oligomer, dimer, dan monomer. Penguraian plastik menjadi molekul yang lebih kecil dikenal sebagai hidrolisis atau oksidasi, dan proses ini meningkatkan hidrofilisitas polimer. Hidrolisis atau oksidasi adalah langkah terpenting dalam mekanisme karena memulai seluruh proses biodegradasi plastik. Setelah hidrolisis atau oksidasi terjadi, mikroorganisme dapat bertindak langsung pada produk dengan berat molekul lebih rendah dan memanfaatkan karbon dalam fragmen ini sebagai sumber energi.

Enzim umum yang terlibat dalam biodegradasi plastik mikroba termasuk lipase, proteinase K, pronase, dan hidrogenase, antara lain. Kemanjuran enzim ini tergantung pada jenis plastik yang terdegradasi. Selanjutnya, produk biodegradasi mikroba akan berbeda tergantung pada kondisi lingkungan.

3.     Aerobik

Dalam kondisi aerobik, mikroorganisme akan menggunakan oksigen sebagai akseptor elektron. Produk yang dihasilkan adalah karbon dioksida (CO 2) dan air (H 2 O). Contoh kondisi aerobik untuk biodegradasi mikroba termasuk tempat pembuangan sampah dan sedimen.

4.     Anaerobik

Dalam kondisi anaerobik, kekurangan oksigen mengharuskan bakteri menggunakan sumber yang berbeda untuk akseptor elektron. Akseptor elektron yang umum digunakan oleh bakteri anaerob adalah sulfat, besi, nitrat, mangan, dan karbon dioksida. Produk yang dihasilkan dalam kondisi anaerobik adalah karbon dioksida (CO 2), air (H 2 O), dan metana (CH 4). Contoh kondisi anaerobik untuk biodegradasi mikroba termasuk tanah dan kompos.

Jenis adiktif biodegradable

1.     Pati

Pati adalah aditif biodegradable umum, dan campuran plastik sintetis dengan pati menjadi lebih dan lebih umum. Karena pati merupakan karbohidrat polimer, pati dapat langsung dikonsumsi oleh mikroorganisme. Pati adalah sumber daya terbarukan dan murah yang tersedia sepanjang tahun, menjadikannya aditif biodegradable yang layak.

Sementara pati adalah aditif biodegradable yang menjanjikan, saat ini hanya dicampur dengan plastik sintetis tertentu. Campuran pati dan polivinil alkohol (PVA) sepenuhnya terurai oleh berbagai mikroba karena kedua komponen tersebut dapat terurai secara hayati. Namun, penambahan pati dapat meningkatkan laju degradasi PVA. Campuran pati dan poliester juga telah ditemukan sepenuhnya dapat terurai secara hayati. Adanya fase pati kontinyu memungkinkan plastik dikonsumsi langsung oleh mikroorganisme karena bahan menjadi lebih hidrofilik. Mikroorganisme dapat secara langsung menyerang dan menghilangkan pati dari plastik, sehingga menyebabkan degradasi. Pati paling sering digunakan sebagai aditif biodegradable untuk keduanyapolietilen densitas rendah (LDPE) dan polietilen densitas tinggi (HDPE). Karena polietilen digunakan untuk berbagai kegunaan, dari kantong plastik hingga botol air plastik hingga furnitur luar ruangan, sejumlah besar plastik PE dibuang setiap tahun, dan menentukan cara untuk meningkatkan biodegradabilitasnya telah menjadi bidang penelitian yang penting. .

Cornplast, diproduksi oleh National Corn Grower Association (USA), adalah aditif pati spesifik yang dapat digunakan untuk meningkatkan biodegradabilitas polietilen sintetik. Cornplast adalah bahan yang komposisinya 20% polietilen dan 80% pati. 50% -50% berat campuran Cornplast dengan LDPE dan HDPE telah dipelajari untuk menentukan efektivitas pati sebagai aditif biodegradable.

2.     Bioaugmentasi

Penambahan strain mikroba tertentu ke plastik dikenal sebagai bioaugmentasi, dan ini adalah metode untuk meningkatkan biodegradabilitas plastik. Bioaugmentasi telah digunakan untuk meningkatkan tingkat degradabilitas plastik yang sudah dapat dikomposkan, seperti poli(asam laktat) (PLA) . Pengomposan plastik adalah alternatif yang menjanjikan untuk membuang plastik di tempat pembuangan sampah. Namun, plastik membutuhkan sifat-sifat tertentu untuk menjadi kompos. Untuk meningkatkan kemampuan kompos dan biodegradabilitas plastik, bioaugmentasi adalah metode penambahan mikroorganisme secara langsung ke dalam plastik. Dalam hal ini, aditif biodegradable adalah mikroba itu sendiri.

Eksperimen harus dilakukan untuk menentukan strain mikroba spesifik mana yang ada dalam kompos yang dapat benar-benar mengikat plastik untuk menentukan sumber potensial untuk bioaugmentasi. Eksperimen ini harus dilakukan untuk berbagai plastik, karena perbedaan sifat plastik akan mempengaruhi kemampuan mengikat strain mikroba. Untuk menentukan apakah strain mikroorganisme mendegradasi plastik, pengukuran jumlah karbon dioksida yang ada biasanya digunakan karena karbon dioksida adalah produk dari degradasi mikroba aerobik dan anaerobik. Untuk memastikan bahwa mikroorganisme yang sedang dipelajari tertarik pada jenis plastik tertentu, penting bahwa plastik sintetis adalah satu-satunya sumber karbon dalam kompos atau tanah percobaan. Jika terjadi pelepasan karbon dioksida yang signifikan, berarti mikroorganisme tersebut telah berhasil mengkonsumsi karbon dalam plastik.

Salah satu contoh galur mikroba yang telah digunakan untuk keberhasilan bioaugmentasi poli(asam laktat) adalah Geobacillus thermoleovorans. Strain bakteri ini dapat tumbuh baik dalam kondisi laut dan darat dan mampu menggunakan berbagai gula, hidrokarbon, dan asam karboksilat sebagai sumber nutrisi. Geobacillus thermoleovorans berhasil menempel pada permukaan poli(asam laktat), dan percobaan menunjukkan bahwa kolonisasi ini akan meningkatkan laju degradasi mikroba pada plastik.

3.     Adiktif pro-oksidan

Aditif pro-oksidan meningkatkan laju termo-oksidasi dan foto-oksidasi, menghasilkan sejumlah besar senyawa yang dapat diekstraksi dengan molekul rendah. [10] Strain mikroba kemudian dapat secara efisien menyerang karbon dalam fragmen berat molekul rendah dari polimer rantai besar.

Aditif pro-oksidan biasanya digunakan untuk meningkatkan laju biodegradasi film polietilen dan polietilen. Polietilen adalah polimer yang sangat umum digunakan dalam banyak produk plastik sehari-hari, seperti botol air, tas belanjaan, dan pipa pembuangan. Namun, berat molekulnya yang tinggi menghalangi kemampuan mikroorganisme untuk mendegradasi material secara alami. Aditif pro-oksidan telah efektif dalam meningkatkan biodegradabilitas polietilen dengan menciptakan fragmen polimer yang lebih kecil.

Aditif pro-oksidan yang khas adalah kompleks logam transisi atau ion logam transien, yang ditambahkan ke plastik dalam bentuk stearat atau kompleks ligan organik lainnya. Logam yang paling umum digunakan sebagai pro-oksidan adalah besi (Fe), mangan (Mn), dan kobalt (Co). Kompleks Fe meningkatkan laju fotooksidasi dengan menyediakan sumber radikal untuk langkah inisiasi dalam proses pembuatan fragmen dengan berat molekul yang lebih kecil. Penggunaan aditif biodegradasi OXO tersebut dilarang di UE pada tahun 2019 karena kekhawatiran bahwa plastik yang diolah tidak sepenuhnya terurai dan malah mengakibatkan percepatan pembentukan mikroplastik.

Penelitian saat ini tentang biodegradasi polietilen telah menunjukkan bahwa biodegradasi pada awalnya cukup cepat ketika aditif pro-oksidan dimasukkan ke dalam plastik, kemungkinan besar karena konsumsi cepat fragmen plastik dengan berat molekul rendah oleh mikroorganisme.

Aditif biodegradable memiliki potensi untuk secara signifikan mengurangi akumulasi plastik di lingkungan. Plastik ada di mana-mana dalam kehidupan sehari-hari dan diproduksi dan dibuang dalam jumlah besar setiap tahun. Banyak plastik umum, seperti polietilen, polipropilen, polistirena, poli(vinil klorida), dan poli(etilena tereftalat), yang dapat ditemukan di sebagian besar produk konsumen tidak dapat terurai secara hayati. Selain itu, hanya sekitar 9-10% plastik bekas yang didaur ulang setiap tahun. Plastik non-biodegradable menumpuk di lingkungan, mengancam kesehatan manusia, hewan, dan lingkungan.

Solusi saat ini untuk menangani jumlah plastik yang dibuang termasuk membakar plastik dan membuangnya ke ladang besar atau tempat pembuangan sampah. Pembakaran plastik menyebabkan sejumlah besar polusi udara, yang berbahaya bagi kesehatan manusia dan hewan. Ketika dibuang ke ladang atau tempat pembuangan sampah, plastik dapat menyebabkan perubahan pH tanah, yang menyebabkan kemandulan tanah. Selanjutnya, botol plastik dan kantong plastik yang berakhir di tempat pembuangan sampah sering dikonsumsi oleh hewan, yang kemudian menyumbat sistem pencernaan mereka dan menyebabkan kematian.

Karena pertumbuhan substansial dalam konsumsi plastik, aditif biodegradable menjadi semakin diperlukan untuk meningkatkan tingkat degradabilitas plastik biasa. Penelitian saat ini difokuskan untuk menemukan aditif biodegradable baru yang akan mempersingkat proses degradasi dari beberapa dekade menjadi berabad-abad menjadi hanya beberapa bulan hingga beberapa tahun.