|
|
Biodegradation of polyesters and other polymers in soil and compost
Papala, František ; Smilek, Jiří (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
This diploma thesis studies the biodegradation of polyhydroxybutyrate (PHB) and polylactic acid (PLA) within soil and compost environments. The experimental part of this work is concerned with the differences in degradation across environments and the effects of degraded polymers on the environment itself. Experiments revealed that higher temperature and potentially also higher humidity substantially affect the rate of biodegradation. A significant degradation of all the polymers was observed in the compost medium, while polymers within the soil medium did not demonstrate any visible change nor change in mass after the 8th week of experiment. Even though SEM images revealed slow microbial degradation of soil PHB, this was not seen in any of the soil-incubated PLA samples. This might indicate primarily abiotic mechanism of PLA degradation. Germination and grow tests, which used the prepared polymer-enriched compost as a substrate and fertilizer, respectively, did not in most cases reveal any significant differences between individual plants across substrates. This seems to imply that neither the examined polymers nor their degradation products generated during composting are phytotoxic.
|
|
|
Controlled Production and Degradation of Selected Biomaterials
Obruča, Stanislav ; Demnerová, Kateřina (referee) ; Vávrová, Milada (referee) ; Němec, Miroslav (referee) ; Márová, Ivana (advisor)
Předložená disertační práce se zabývá studiem produkce a degradace polymerních materiálů s využitím mikroorganismů. Hlavní pozornost je upřena ke studiu produkce polyesterů bakteriálního původu - polyhydroxyalkanoátů. Tyto materiály jsou akumulovány celou řadou bakterií jako zásobní zdroj uhlíku, energie a redukční síly. Díky svým mechanickým vlastnostem, kterými silně připomínají tradiční syntetické polymery jako jsou polyetylén nebo polypropylén, a také díky své snadné odbouratelnosti v přírodním prostředí, jsou polyhydroxyalkanoáty považovány za ekologickou alternativu k tradičním plastům vyráběným z ropy. Polyhydroxyalkanoáty mají potenciál najít řadu aplikací v průmyslu, zemědělství ale také v medicíně. Významná část předložené práce je zaměřena na produkci polyhydroxyalkanoátů z odpadních substrátů pocházejících především z potravinářských výrob. Testována byla odpadní syrovátka nebo odpadní oleje z různých zdrojů. Právě využití levných odpadních substrátů je strategií, která by mohla přispět ke snížení ceny polyhydroxyalkanoátů a tím usnadnit jejich masové rozšíření. Podle výsledků dosažených v této práci jsou právě odpadní olejové substráty velice perspektivní cestou k ekonomicky rentabilní biotechnologické produkci polyhydroxyalkanoátů. Další část předložené práce se zabývá studiu spojení metabolické role polyhydroxyalkanoátů a stresové odpovědi bakterií. V této práci bylo zjištěno, že expozice bakteriální kultury řízené dávce etanolu nebo peroxidu vodíku významně navýší dosažené výtěžky a to o přibližně 30 %. Po aplikaci výše zmíněných stresových faktorů došlo k aktivaci metabolických drah vedoucí k odbourání stresového faktoru z média. Výsledkem bylo navýšení poměru NAD(P)H/NAD(P)+, což vedlo k částečné inhibici Krebsova cyklu a naopak aktivaci biosyntetické dráhy polyhydroxyalkanoátů. Mimoto došlo k významnému navýšení molekulové hmotnosti výsledných materiálů. Podle těchto výsledků se regulovaná aplikace vhodně zvolených stresových podmínek zdá být zajímavou strategií, která vede nejen k navýšení celkových výtěžků, ale také významnému zlepšení vlastností polymeru. Poslední část disertační práce se zabývala studiem procesu biodegradace polyuretanových materiálů. Polyuretanové eleastomery byly modifikovány rozličnými biopolymery za účelem navýšení jejich biodegradability. Tyto materiály byly posléze vystaveny působení směsné termofilní kultury jako modelového systému, který simuluje přirozené konsorcium bakterií. Přítomnost testovaných materiálů v kultivačním médiu vedla k neobvyklým růstovým charakteristikám bakteriální kultury. V průběhu prvních několika dní byl růst kultury silně inhibován, nicméně po překonání této neobvykle dlouhé lag-fáze došlo k intenzivnímu nárůstu kultury. Hlavní podíl na hmotnostním úbytku testovaných materiálů během experimentů měl samovolný rozpad materiálů, nicméně byl pozorován i vliv bakteriální kultury, kdy míra biotické degradace závisela na použitém modifikačním činidle. Nejvyšší míra biotické degradace byla pozorována u polyuretanového materiálu modifikovaného acetylovanou celulózou. Lag-fáze byla způsobena uvolněním nezreagovaného katalyzátoru (dibutylcínlaurát) a polyolu do kultivačního média. Bakteriální kultura se však po čase dokázala na přítomnost toxických látek v médiu adaptovat nebo je dokázala eliminovat.
|
|
|
Influence of bioplastics´ biodegradation on soil quality
Paluchová, Natálie ; Doležalová Weissmannová, Helena (referee) ; Kučerík, Jiří (advisor)
V poslední době se pozornost polečnosti obrátila k mikroplastům. Jsou produkovány různými odvětvími a šíří se napříč prostředím. Po dlouhou dobu byly považovány za inertní, bez dalšího vlivu na rostliny a jiné živé organismy, avšak jak zjistily nedávné studie, mohly by představovat vážnou hrozbu. Několik vědců, včetně nás, se proto začalo soustředit na jejich transport a transformace v životním prostředí. Většina se však zaměřuje pouze na jejich přítomnost v mořských a sladkých vodách, a proto jejich chování ve vzduchu a půdě zůstává nejasné. Kromě toho byla pozornost soustředěna i na bioplasty. Jsou prezentována jako ekologická alternativa, která má vyřešit všechny dosud zmíněné problémy (a další). Avšak často se zapomíná, že jejich hlavní výhoda může být zároveň nevýhodou. Z tohoto důvodu se tato diplomová práce zaměřuje na negativní účinky spojené s přítomností mikroplastů (konkrétně bioplastu poly-(R)-3-hydroxybutyrátu) v půdě jako jejich běžný receptor. Kombinovali jsme respirometrii, elementární analýzu, termogravimetrii a enzymatické testy, abychom zkoumali fyzikálně-chemické změny v půdě vyvolané přítomností bioplastu. Naše výsledky ukázaly negativní vliv na půdní organickou hmotu a zadržování vody v půdě. V tomto smyslu byl zkoumán i tzv. "priming effect", jelikož docházelo k urychlení a také zpomalení rozkladu půdní organické hmoty. Zaznamenali jsme rozdílný vliv vybraných koncentrací biopolymeru na půdu a také vliv půdních vlastností na průběh degradace. V neposlední řadě zvýšení enzymatické aktivity jasně naznačovalo vliv přítomnosti biopolymeru na mikrobiální komunitu. Na základě takových zjištění jsme došli k závěru, že přidání biopolymeru vede k dlouhodobému dopadu na řadu funkcí půdního ekosystému.
|
|
|
Degradation possibilities of synthetic macromolecular materials centred on biodegradations
Zichová, Miroslava ; Ondruška, Vladimír (referee) ; Babák, Libor (advisor)
This work deals with the degradation possibilities of synthetic macromolecular materials. Mechanical, chemical and chemo-physical degradation is described, but the work is focused on biodegradation. Polymer biodegradation is its decomposition by microorganisms. The aim of the work is to show the advantages of biodegradation and to arrange the knowledge acquired about the biodegradation of particular macromolecular materials. There is resumed the information about the degradation of polyurethanes as an exception among synthetic polymers, which are mostly resistant to biodegradation. Attention is also paid to biodegradable polymers.
|
|
|
Study of biodegradation of poly(hydroxy alkanoates).
Wurstová, Agáta ; Přikryl, Radek (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
The master‘s thesis is focused on the study of biodegradation of polyhydroxyalkanoates, namely polymer polyhydroxybutyrate. The first part of the thesis is focused on the study of biodegradation of polyhydroxybutyrate in the form of crystalline granules of PHB and PHB films using selected species of microorganisms from bacteria, yeasts and fungi. As a representative of bacteria was chosen microorganism Delftia acidorovans, as yeast was selected Aureobasidium pullulans and Aspergillus fumigatus as fungi. PHB depolymerase activity was measured employing turbidemtiric method with suspension of PHB granules as substrate. The results showed that D. acidorovans can partially degrade PHB. On the contrary A. pullulans cannot effectively degrade PHB. The most significant degradation ability revealed A. fumigatus, which was able to degrade PHB completely. Extracellular enzymes excreted by these microorganisms when cultivated on PHB materials as sole carbon sources were analyzed by SDS-PAGE. The second part of the thesis deals with the biodegradation of PHB in the form of PHB film, PHB hardened foil and PHB Nanoul fabric using standard composting test. Semi-solid cultivation showed positive results. In the interval from 14 days to two months were all forms of the PHB completely biodegraded. With semi-solid cultivation was also studied biodegradation rate of the polyurethane elastomeric films which were modified by partial replacement of polyester polyol by PHB. The test samples were prepared using PHB from Sigma and the PHB samples prepared at the Faculty of chemistry VUT. Samples with different concentrations of the dispersed PHB (1 %, 5 % and 10 %) in the polyurethane were also object of the study. At the end of the cultivation (after 2 months) were measured mechanical properties in tension of the material, then efficiency of biodegradation by gravimetric analysis and modification of the material surface by microscopic analysis.
|
|
|
Bones implants based on Fe
Hávová, Mariana ; Vondrák, Jiří (referee) ; Sedlaříková, Marie (advisor)
This thesis refers to Fe-based biodegradable materials and their potencial aplications in medicine, especially as temporary bone implants. This work generaly summaries aplications of biomaterial in medicine with more interest kept on biodegradable materials and their in-vivo corrosion. The experimental part refers to conduction of porous Fe-based materials with silica addition. The structure of prepared specimens is identified by EDX and XRD analysis. The imersion test and electrochemical studies were conducted to observe corrosion behaviour with respect to different concentration of silica. Potenciodynamic curves were obtained to determine corrosion potencial and corrosion current density of prepared samples.
|
|
|
Composting of biodegradable polymers
Hollá, Tereza ; Smilek, Jiří (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
This master’s thesis deals with the study of composting of polyhydroxybutyrate (PHB) and polylactic acid (PLA). The experimental part focuses on the composting test based on the IS/ISO 20200 standard, in which biopolymers were degraded within 8 weeks. The advantage of the composting test was the unique use of bags for polymer granules, which simplified the handling of samples. The placement of the polymers ensured an even load of compost, which simulated the landfill environment, which also made this experiment exceptional. The use of different methods of analysis ensured the investigation of the influence of compost on the degradation of polymers, but also the influence of polymers on the compost microbiome. In the compost environment all of the studied polymers degraded. After 8 weeks the weight loss of approximately 40 % was detected in PHB. Amorphous PLA degraded completely in the 5th week of experiment, while semicrystalline PLA lost approximately 70 % of its weight in 8 weeks. Using SEM images and SEC analysis, we conclude that PHB degradation was predominantly biological. Degradation of PLA samples was found to be predominantly abiotic. Analysis of compost samples revealed that the enzymatic activity of esterases increased in composts with polymers compared to compost without polymers. The effect of polymers on the microbiome in compost was analyzed using Biolog EcoPlates™. Compost with PHB showed a high ability to adapt to various substrates and microbiome expanded during composting. In the case of a sample with semicrystalline PLA, it was found that in the last week of composting, the ability of microorganisms to adapt and use substrates decreased, which indicates a possible negative effect of this polymer on compost development.
|
|
|
Biodegradable bone implants based on iron
Müller, Petr ; Kazda, Tomáš (referee) ; Sedlaříková, Marie (advisor)
The present work deals with the comparison of the properties of metallic biomaterials in terms of their suitability for use as a temporary metal implant. In the work is judged biocompatibility of materials, they are comparing the corrosion rates and the influence of additives in the iron alloy to change biocompatibility and corrosion rate. In a part of this work is suggesting a method of preparing biodegradable metallic samples with different alloying elements and determine the methods, processes and measuring the corrosion rates. Part of this work is the chapter dealing with the function and effect of iron in the human body and any complications that may occur when a surplus caused by the release of part of the implant during its degradation or corrosion products. The outcome of this work is sort of created an iron-based samples in terms of their electrochemical corrosion potential, corrosion rate of samples exposed in various corrosive solutions, spectroscopic elemental analysis and outputs from the microscopic observation of the structures.
|
|
|
The possibilities of green algae removal from concrete structures
Cochlárová, Milena ; Ptáček, Petr (referee) ; Opravil, Tomáš (advisor)
This master´s thesis deals with the suppression of algal growth on concrete structures. The subject of the work is to design and coatings their own structural concretes containing protective element in order to inhibit the growth of algae. As the coating are tested commercially avaiable and newly created systems. Testing systems are based on the portland cement and chelates of metal (Cu, Ni, Co, Mn, Zn, Al).
|
|
|
Biodegradable bones implants based on iron
Hrabovský, Jan ; Zatloukal, Miroslav (referee) ; Sedlaříková, Marie (advisor)
This work deals with a current topic, which are biodegradable bone implants. These implants seem to be a suitable candidate for temporary fixations, with their gradual decomposition. An important parameter is not only the mechanical properties so that the material can withstand the load, but above all the corrosion properties and the degradation process. This work introduces the physiology of bone, trace elements and also describes current trends in the field of implants. The last part is a theoretical introduction to cross-stage processes. The practical part is focused on the preparation of iron-based samples with various dopants, subsequent annealing and analysis.
|
guest ::
