Streszczenie pracy doktorskiej mgr inż Agnieszki Stępień Ocena

Streszczenie pracy doktorskiej
mgr inż Agnieszki Stępień
Ocena wpływu mikroorganizmów i enzymów na właściwości fizykochemiczne
polieterouretanów
W rozprawie doktorskiej przedstawiono wyniki badań wpływu bakterii (Pseudomonas
denitrificans, Pseudomonas fluorescens, Bacillus subtilis), drożdży (Yarrowia lipolytica) oraz
enzymów (lipazy Candida rugosa, ureazy Canavalia eniformis i esterazy cholesterolowej
Pseudomonas sp.) na strukturę chemiczną i właściwości fizykochemiczne alifatycznoaromatycznego polieterouretanu Tecothane® (TT), otrzymywanego z użyciem diizocyjanianu
difenylometanu oraz jego alifatyczno-alifatycznego odpowiednika Tecoflex® (EG). Badania
prowadzono inkubując próbki poliuretanów w hodowlach mikroorganizmów w temperaturze
30oC przez okres 5 miesięcy oraz w roztworach enzymów w temperaturze 30oC przez okres 1
miesiąca. Oceniono wpływ oddziaływań mikroorganizmów i enzymów na strukturę
chemiczną polieterouretanów analizując ubytek masy, wartości kąta zwilżania oraz widma
spektroskopii w podczerwieni (ATR-FTIR), spektometrii mas (Py-MS), a także wyniki
różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) i analizy termograwimetrycznej (TG) przed i po
inkubacji. Wykorzystując obserwacje ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) i
mikroskopu sił atomowych (AFM) określono zmiany zachodzące na powierzchni
polieterouretanów.
Stosowane w badaniach mikroorganizmy wytypowano na podstawie przeglądu
literaturowego. Należą one do popularnych szczepów obecnych w glebie (Pseudomonas oraz
Bacillus subtilis), które potencjalnie mogą mieć styczność z materiałami poliuretanowymi.
Stwierdzenie zdolności tych mikroorganizmów do rozkładu poliuretanów, otworzyłoby drogę
do zagospodarowania odpadów poliuretanowych na drodze recyklingu biologicznego, z
drugiej strony potwierdzenie odporności na degradację w/w poliuretanów mogłoby wpłynąć
na rozszerzenie obszarów ich zastosowań.
Drożdże Yarrowia lipolytica są mikroorganizmami zdolnymi do sekrecji dużej ilości
enzymów, i mają zdolność wykorzystywania jako źródła węgla i energii różnych składników
organicznych. Stanowią one potencjalny obiekt w badaniach degradacji różnych grup
polimerów.
Podobnie
wykorzystywane
są
wytwarzane
przez
mikroorganizmy
zewnątrzkomórkowe enzymy z grup esteraz, proteaz, ureaz i lipaz. W badaniach degradacji
wykorzystano przykładowe enzymy: lipazę Candida rugosa, ureazę Canavalia eniformis i
esterazę cholesterolową Pseudomonas sp.
W części literaturowej pracy przedstawiono podstawowe informacje na temat syntezy
i właściwości poliuretanów. Następnie dokonano przeglądu doniesień literaturowych
dotyczących biodegradacji tworzyw poliuretanowych.
W części eksperymentalnej opisano sposób realizacji badań oraz przedstawiono
interpretację wyników. Niewielkie, lecz zauważalne zmiany w strukturze polieterouretanów
zaobserwowano jedynie po inkubacji w hodowlach bakterii Bacillus subtilis i Pseudomonas
fluorescens. Ubytek masy wskazuje, że bardziej podatne na działanie mikroorganizmów były
poliuretany alifatyczno-alifatyczne (EG), niż alifatyczno-aromatyczne (TT), co potwierdza
również analiza mikroskopowa wskazująca na widoczną erozję powierzchni tych polimerów.
W przypadku inkubacji próbek w roztworach enzymów największą aktywność degradacyjną
wobec obu typów poliuretanów wykazała lipaza Candida rugosa. Ponownie, wyniki
wykazały, iż bardziej podatne na działanie enzymów były poliuretany nie zawierające w
swojej budowie struktur aromatycznych (EG).
Podsumowując, wyniki badań pozwoliły ocenić, że badane poliuretany wykazują
znaczną odporność na działanie czynników biologicznych. Prawdopodobnie wpływa na to
specyficzna budowa poliuretanów oraz ich hydrofobowość. Z technologicznego punktu
widzenia pozwala to na wykorzystywanie tych materiałów bez wprowadzania dodatkowo do
ich składu środków biobójczych.
Abstract
The doctoral thesis presents the results of research on the influence of bacteria
(Pseudomonas denitrificans, Pseudomonas fluorescens, Bacillus subtilis), yeasts (Yarrowia
lipolytica) and enzymes (lipase Candida rugosa, urease Canavalia eniformis and cholesterol
esterase of Pseudomonas sp.) on the chemical structure and physicochemical properties of
two polyetherurethanes: Tecothane® (TT) derived from an aromatic diphenylmethane
diisocyanate and Tecoflex® (EG), obtained from its aliphatic counterpart.
The study was conducted by incubating the sample polyurethanes with cultures of
microorganisms at 30 °C for a period of five months or the enzyme solutions at 30 °C for 1
month. The effects of interaction of microorganisms and enzymes on the chemical structure of
polymers were observed by means of loss in weight and contact angle measurements, the
infrared spectroscopy (ATR-FTIR), mass spectrometry (Py-MS), differential scanning
calorimetry (DSC) and the thermogravimetric analysis (TG) before and after incubation. The
scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) allowed to
determine changes occurring at the surface of the polyetherurethanes.
Microorganisms used in this study were selected based on a literature review. They
belong to the popular strains existing in the soil (Pseudomonas and Bacillus subtilis), and are
likely to have contact with polyurethane materials. Demonstrating that these microorganisms
are capable of degradation of polyurethanes, would open the new ways of polyurethane
biological recycling, whereas the affirmation of resistance to degradation of above mentioned
polyurethanes could help to extend the areas of their application.
Yarrowia lipolytica are microorganisms capable to secrete large amounts of enzymes,
and have the ability to use various organic compounds as a source of carbon and energy. They
are frequently used as a potential target in the degradation studies of different groups of
polymers. Likewise, produced by microorganisms extracellular enzymes from the groups of
esterases, proteases, and lipases are used. In this study sample degradation enzymes: lipase
Candida rugosa, urease Canavalia eniformis and cholesterol esterase Pseudomonas sp. were
used.
The theoretical part of the paper presents basic information on the synthesis and
structure of polyurethanes. Then, it focuses on reports concerning susceptibility of
polyurethanes to the biological degradation. The experimental part describes the methods of
investigation of biodegradation process and summarizes the results. Small but noticeable
changes in the polyetherurethane structure were observed only after incubation with the
Bacillus subtilis and Pseudomonas fluorescens bacteria cultures. The loss of mass showed that
more susceptible to microbial action were aliphatic-aliphatic polyurethanes (EG) than
aliphatic-aromatic (TT) ones. This finding was confirmed by microscopic analysis indicating
noticeable surface erosion of the EG polymer. In the case of incubation of the PU samples in
solutions of enzymes the most active against both types of polyurethanes showed to be lipase
Candida rugosa. Again, the results showed that more susceptible to the action of enzymes
showed to be polyurethanes (EG) containing solely aliphatic structures.
In summary, the results showed that the investigated polyurethanes exhibited
significant resistance to biological agents. It can be ascribed to the specific structure of
polyurethanes and their hydrophobicity. From a technological point of view, these polymers
can be applied without the addition of any biocides.