การย่อยสลายทางชีวภาพ (อังกฤษ: biodegradation) หรือการสลายตัวทางชีวภาพ คือสารเคมีที่สลายตัวของวัสดุจากเชื้อแบคทีเรียหรือทางชีวภาพอื่นๆ โดยมีความสัมพันธ์กับระบบนิเวศ การจัดการขยะ ชีวการแพทย์ และสภาพแวดล้อมทางชีวภาพ ซึ่งเกี่ยวข้องกับผลิตภัณฑ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่สามารถย่อยสลายกลับไปเป็นธาตุตามธรรมชาติ สารอินทรีย์จะถูกย่อยสลายด้วยออกซิเจน หรือไม่ใช้ออกซิเจน
การย่อยสลายทางชีวภาพคือกระบวนการที่นำสารอินทรีย์มาทำปฏิกิริยากับสารอนินทรีย์ ทำให้ย่อยสลายได้ ซึ่งอินทรียวัตถุจะเปลี่ยนเป็นแร่ธาตุ สารลดแรงตึงผิวซึ่งจะหลั่งออกมายังผิวด้านนอกโดยการทำงานของเซลล์จุลินทรีย์ เพื่อเพิ่มกระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพ การย่อยสลายทางทั่วไปใช้อินทรีย์วัตถุ เช่น พืช สัตว์ และสารอื่นๆที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต หรือวัตถุที่มีความคล้ายคลึงกับพืช และสัตว์ ที่ทำให้จุลินทรีย์สามารถนำไปใช้ได้ จุลินทรีย์บางชนิดเกิดขึ้นตามธรรมชาติ โดยจุลินทรีย์มีความหลากหลายในกระบวนการสร้าง นำไปสู่การย่อยสลาย การเปลี่ยนรูปแบบ หรือสะสมในรูปสารประกอบไฮโดรคาร์บอน เช่น น้ำมัน โพลีคลอริเนตไบฟีนิล (PCBs) โพลิอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAHs) สารทางยา สารกัมมันตรังสี และโลหะหนัก
นวัตกรรมวิธีการที่สำคัญในการย่อยสลายของจุลินทรีย์ได้เปิดเผยรายละเอียดด้านข้อมูลทางพันธุกรรม การศึกษาสารพันธุกรรมทั้งหมดของจุลินทรีย์ การศึกษาด้านโปรตีนทั้งหมดที่มีในรหัสพันธุกรรม ชีวสารสนเทศ การวิเคราะห์สิ่งแวดล้อมของจุลินทรีย์ระดับสูง เพื่อนำไปสู่กระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพ และความสามารถของจุลินทรีย์เพื่อปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง ผลิตภัณฑ์ที่มีสารย่อยสลายชีวภาพได้ และสารย่อยสลายทางชีวภาพไม่ได้ ในการตลาดมักบอกว่าสลายได้ทางชีวภาพได้
มาตรวิทยา
ในธรรมชาติ การย่อยสลายทางชีวภาพด้วยวัสดุที่แตกต่างกัน จะใช้อัตราส่วนที่แตกต่างกันด้วย เพื่อให้สามารถทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจุลินทรีย์ต้องการแสง น้ำ และออกซิเจน ในการช่วยย่อยสลายทางชีวภาพ อุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดอัตราการย่อยสลายทางชีวภาพ เนื่องจากในสภาพอากาศอบอุ่นทำให้จุลินทรีย์มีแนวโน้มทำงานซ้ำๆได้เร็วขึ้น
การย่อยสลายทางชีวภาพสามารถวัดเป็นจำนวนได้หลายวิธี นักวิทยาศาสตร์มักใช้การทดสอบการหายใจของจุลิทรีย์ที่ใช้ออกซิเจน (Aerobe) ในการหายใจ โดยเก็บตัวอย่างที่เป็นของเสียในรูปของแข็ง ที่ประกอบด้วยจุลินทรีย์และดิน ต่อมาผึ่งลมทิ้งไว้หลายวัน จุลินทรีย์จะทำการย่อยตัวอย่างทีละน้อย และผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งผลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะเป็นตัวบ่งชี้การย่อยสลาย การย่อยสลายทางชีวภาพสามารถวัดโดยจุลินทรีย์ที่ไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic) และจำนวนมีเทน หรือ โลหะผสมที่สามารถผลิตได้ ในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ เรียกว่า กระบวนการการบำบัดสารมลพิษทางชีวภาพ
| ผลิตภัณฑ์ | ระยะเวลาย่อยสลายทางชีวภาพ |
|---|---|
| แกนแอปเปิ้ล | 1–2 เดือน |
| กระดาษทั่วไป | 1–3 เดือน |
| กระดาษชำระอเนกประสงค์ | 2–4 สัปดาห์ |
| กล่องกระดาษลูกฟูก | 2 เดือน |
| เสื้อผ้าฝ้าย | 5 เดือน |
| กล่องกระดาษเคลือบพลาสติก | 5 ปี |
| กล่องกระดาษเคลือบมัน | 3 เดือน |
| กระป๋องทำจากดีบุก | 50–100 ปี |
| กระป๋องทำจากอะลูมิเนียม | 150–200 ปี |
| ขวดแก้ว | ไม่สามารถวัดได้ (ตลอดไป) |
| ถุงพลาสติก | 10–20 ปี |
| พลาสติกอ่อน (เช่น ขวด) | 100 ปี |
| พลาสติกแข็ง (เช่น ฝาขวด) | 400 ปี |
พลาสติก
พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ (อังกฤษ: Biodegradable plastic หรือ Compostable plastic) มักเรียกว่า พลาสติกชีวภาพ พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ จะถูกแตกสลายเป็นเศษเล็กๆ จากการกระทำของน้ำ แสงแดด(ถ้ามี) และออกซิเจน ต่อมาเศษเล็กๆเหล่านั้นจะเป็นอาหารของเชื้อแบคทีเรีย พลาสติกดังกล่าวส่วนใหญ่เป็นโพลีเอสเทอร์ (Polyester)เนื่องจากพันธะของเอสเทอร์ มีความไวต่อการถูกทำลายด้วยน้ำ บางตัวอย่างของโพลีทรีไฮดรอกซิลบิวไทเรด (Poly-3-hydroxybutyratepoly-3-hydroxybutyrate) ในธรรมชาติ มาทดแทนกรดโพลีแลกติก (Polylactic acid) และโพลีคาร์โพรแลกโตน (polycaprolactone)สังเคราะห์ และอื่นๆ เช่น เซลลูโลสอะชีเตด และเซลลูลอยด์หรือเซลลูโลสไนเทรด
ภายใต้ออกซิเจนที่ต่ำ พลาสติกย่อยสลายทางชีวภาพจะย่อยสลายช้าลง และผลิตก๊าซมีเทน เหมือนอินทรียวัตถุอื่นๆ กระบวนการสลายจะเร่งในกองปุ๋ยหมัก พลาสติกที่จะทำจากแป้งจะย่อยสลายภายใน 2-4 เดือนในถังหมักที่บ้าน ขณะที่กรดโพลิแลกติกส่วนใหญ่ไม่ย่อยสลายที่อุณหภูมิที่สูงกว่าถึงจะย่อยสลายได้โพลีคาร์โพรแลกโตน และแป้งโพลีคาร์โพรแลกโตนจะย่อยสลายช้ากว่า แต่ปริมาณของแป้งจะเร่งการสลายตัวโดยหลังพื้นที่ผิวรูพรุนสูง ใช้เวลาหลายเดือน
เทคโนโลยีการย่อยสลายทางชีวภาพ
ในปี 1973 ได้พิสูจน์ครั้งแรกทว่าโพลีเอสเตอร์สามารถย่อยสลายเมื่อกำจัดทางชีวภาพ เช่นดิน ผลคือโพลีเอสเตอร์ทนน้ำและสามารถละลายและขึ้นรูปเป็นแผ่น ขวดและผลิตภัณฑ์อื่นๆ ทำให้พลาสติกบางชนิดเป็นผลิตภัณฑ์ที่ย่อยสลายทางชีวภาพ ต่อมา Polyhydroxylalkanoates (PHAs) ถูกผลิตได้โดยตรงจากทรัพยากรทดแทนโดยจุลินทรีย์ ประมาณ 95% ของเซลล์และแบคทีเรียสามารถจัดการทางพันธุกรรม องค์ประกอบและย่อยสลายทางชีวภาพของ PHAs สามารถควบคุมโดยการผสมกับโพลิเมอร์ธรรมชาติอื่น ๆ ในช่วงปี 1980 บริษัท ไอซีไอ Zenecca เชิงพาณิชย์เกี่ยวกับ PHAs ภายใต้ Biopol ซึ่งมีผลิตภัณฑ์ขวดแชมพูและผลิตภัณฑ์เครื่องสำอางค์อื่นๆการตอบสนองต่อผู้บริโภคเป็นเรื่องผิดปกติ ผู้บริโภคก็เต็มใจที่จะจ่ายมากขึ้นสำหรับสินค้านี้เพราะเป็นธรรมชาติและย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน
ขณะนี้ เทคโนโลยีการย่อยสลายทางชีวภาพมีการพัฒนาในทางการตลาดอย่างสูง ด้วยการใช้งานการผลิตบรรจุภัณฑ์และทางการแพทย์ เทคโนโลยีการย่อยสลายเป็นกังวลกับการผลิตทางวิทยาศาสตร์ของวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ กำหนดกลไกทางวิทยาศาสตร์ของพันธุศาสตร์พืชเข้าสู่กระบวนการ นักวิทยาศาสตร์และองค์กรการผลิตสามารถช่วยเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศส่งผลกระทบโดยการพัฒนาพันธุศาสตร์พืชที่จะเลียนแบบเทคโนโลยีในปัจจุบัน โดยมองไปที่พืช เช่น วัสดุเก็บเกี่ยวที่ย่อยสลายได้ผ่านการสังเคราะห์แสง ของเสียและสารพิษในขั้นแรก
เทคโนโลยีการย่อยสลายทางชีวภาพ Oxo นำมาพัฒนาในการผลิตพลาสติกย่อยสลายทางชีวภาพ โดยการคิดผลิตภัณฑ์โมเลกุลขนาดใหญ่พอลิเมอร์ของพลาสติก ประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจนในอากาศ ผลิตภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้ จากหนึ่งสัปดาห์เป็นหนึ่งปีสองปี ต่อไปเรื่อยๆ กระบวนการเสียภาพทางเคมีเกิดปฏิกิริยาโมเลกุลขนาดใหญ่พอลิเมอร์ของพลาสติก ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นโดยปราศจากการเติมตัวเสียสภาพแต่ก็มีอัตราที่ช้ามาก คือเหตุผลของพลาสติกเมื่อทิ้งไว้ในสิ่งแวดล้อมเป็นเวลานานด้วยปฏิกิริยานี้ จะกระตุ้นและเร่งกระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพ
รากศัพท์ของการย่อยสลาย
ใช้ครั้งแรกในบทความทางชีวภาพปี ค.ศ. 1961 ขณะที่ลูกจ้างอธิบายการสลายตัวของวัตถุที่มีส่วนประกอบของคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน ด้วยจุลินทรีย์ ในปัจจุบันการย่อยสลายทางชีวภาพมีการส่งเสริมผลิตภัณฑ์ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมที่เป็นส่วนหนึ่งของวงจรธรรมชาติของโลก และมีความสามารถในการย่อยสลายกลับไปเป็นธาตุธรรมชาติ