وقد أصبح اختبار التحلل البيولوجي حجر الزاوية في تقييم الأثر البيئي للمواد البلاستيكية، لا سيما مع تزايد الطلب العالمي على البدائل المستدامة، ومن بين أكثر الأساليب المعترف بها والصرامة للاختبارات ASTM D5338، وهو معيار وضعته الرابطة الدولية لأجهزة الصرف الآلي (ASTM) يقيّم التحلل الأحيائي للبلاستيك في ظروف الترميز الخاضعة للرقابة، ويوفر هذا الاختبار بيانات هامة لمطوري المنتجات، وللأجهزة التنظيمية، ولموظفين المعنيين بالاستدامة الذين يحتاجون إلى التحقق من فعالية انحرافات في منهجية البلاستيك(ب) في تصميم البيئة(53).

ما هو "ASTM D5338"؟

أما نظام ASTM D5338، الذي يُسمى رسمياً " منهجية الاختبارات الخاصة بتحديد التحلل البيولوجي الهوائي للمواد البلاستيكية الخاضعة للرقابة " ، فهو إجراء يقوم على أساس مختبري يصف مدى تحويل المواد البلاستيكية إلى ثاني أكسيد الكربون، والمياه، والكتل الأحيائية من خلال النشاط المجهري، ويُحدِّد الاختبار الظروف التي تُوجد في مرافق الترسب الصناعي، حيث يُنظَّر فيها بدقة الإنتاج.

السياق التاريخي والتنمية

وقد نشر نظام ASTM D5338 لأول مرة في عام ١٩٩٢، وهو وقت بدأت فيه صناعة البلاستيك تواجه مزيدا من التدقيق في تكديس النفايات، ولم تكن هناك، قبل هذا المعيار، طريقة متسقة لمقارنة قابلية التحلل الأحيائي لمختلف التركيبات المتعددة المقاييس، وقد وضعت طريقة الاختبار بواسطة لجنة ASTM D20 بشأن البلاستيك، وتحديدا اللجنة الفرعية D20.96 بشأن البلاستيك القابل للتحلل البيئي، مع إدخال مزيد من التنقيحات على المعايير من الباحثين الأكاديميين، والكيميائيين الصناعيين، وتقنيات المرجعية في مجال إعداد العينات البيئية.

كيف يعمل الاختبار

ويضع نظام ASTM D5338 مادة اختبار في بيئة مبسطة خاضعة للرقابة تُعدّل الظروف الهوائية والثرثية لبقع مركب صناعي، وتُرصد عملية التحلل الأحيائي بقياس تطور ثاني أكسيد الكربون بمرور الوقت، وهو ما يمثل مؤشرا مباشرا للنشاط الأيضائي المجهري، ويشمل كلا من العينة البلاستيكية ومواد التحكم (الكروفوري القابل للحساب الإلكتروني)().

الإعداد العيني

ويجب إعداد العينات الاختبارية بطريقة قابلة لإعادة إنتاجها، وكثيراً ما تكون البلاستيك أرضاً أو مطحنة أو مقطعة إلى أجزاء صغيرة ذات مساحة سطحية محددة لضمان التعرض الموحد للميكروبات، وتسجل الأبعاد والكتل الدقيقة، ويزيل المحتوى الكلي للكربون العضوي من المادة بصورة تحليلية، ويُعتبر محتوى الكربون هذا أساسياً لحساب الحد الأقصى النظري لثاني أكسيد الكربون الذي يمكن إنتاجه إذا كانت المادة مختلطة تماماً.

شروط الترميز

(أ) تُحتَضَى سفن الاختبار في بيئة مظلمة عند درجة حرارة قدرها 58 درجة مئوية، وهي تمثل المرحلة الحرارية من الترسب الصناعي، وتُبقي الهضمية على قرب التشبع، وتُقدَّم مادة التكلور المحتوية على ثاني أكسيد الكربون، وتُمَرَّد بواسطة مركب مُتَبَعَرَّد بواسطة مُخَطَّرَب مُعَب مُتَهْهْلَرَة.

المدة والنقاط النهائية

ويستغرق الاختبار المعياري 45 يوماً، رغم أن البروتوكول يسمح بتمديده إلى ما يصل إلى 90 يوماً أو حتى يتم ملاحظة لوحة في تطور ثاني أكسيد الكربون، ويخلص الاختبار إلى أن معدل إنتاج ثاني أكسيد الكربون من المواد الاختبارية ينخفض إلى مستوى يضاهي المختبرات الفارغة لمدة خمسة أيام متتالية على الأقل ، مما يشير إلى أن نسبة التحلل الأحيائي قد توقفت أساساً.

ترجمة:

والمقياس الأولي الذي أُبلغ عنه من نظام ASTM D5338 هو النسبة المئوية للتحلل الأحيائي بالنسبة للسيطرة الإيجابية، ويشير نتيجة 100 في المائة إلى التحويل الكامل للكربون العضوي في مادة الاختبار إلى ثاني أكسيد الكربون (مع تحويل الباقي إلى الماء والكتلة الأحيائية) غير أن العتبات العملية تُطبق لأغراض التصديق.

النسبة المئوية للتحلل البيولوجي

ومعظم خطط التصديق، مثل تلك التي وضعت في معهد المنتجات القابلة للتحلل البيولوجي أو في النمسا، تتطلب أن تحقق البلاستيك ما لا يقل عن 90 في المائة من التحلل الأحيائي للتحكم الإيجابي في غضون 180 يوما (التي تقاس في أحيان كثيرة ب45 أو 90 يوماً في إطار نظام ASTM D5338).() وتحدد بعض المعايير التفكك البيولوجي المطلق بنسبة 60 في المائة بالنسبة لبوليمر الواحد.

معايير المرور/السفر

(ب) أن تجتاز المادة 5338 كبلاستيك قابل للتحلل الأحيائي في إطار برامج التصديق النموذجية، ويجب أن تستوفي ثلاثة معايير: (1) يجب أن تكون النسبة المئوية للتحلل الأحيائي 90 في المائة مقارنة بالتحكم الإيجابي في غضون 180 يوماً (أو إطار زمني بديل يحدده المصدّق)؛ (2) يجب ألا تكون مواد الاختبار سامة لعملية التخصيب (مُسّق بواسطة اختبارات النبات أو اختبارات بقاء الديدان الأرضي)(3).

تحليل البيانات والإبلاغ عنها

وتُبلغ المختبرات عن منحنى إنتاج ثاني أكسيد الكربون التراكمي، ومرحلة التكرير، والحد الأقصى لمعدل التحلل الأحيائي، والقيمة النهائية للهضبة، ويُقدم شكل المنحنى بصيرة في التحلل الأحيائي: تشير مرحلة قصيرة من مراحل التلال إلى استعمار سريع بواسطة الميكروبات، بينما تشير الزيادة المطولة إلى بطء التحلل، ويجب تصحيح النتائج بالنسبة للثاني أكسيد الكربون الذي يولد عن طريق تعديل المادة المحتوية (البنك) وحدها.

مقارنة مع معايير التحلل البيولوجي الأخرى

وهناك عدد من المعايير الدولية لقياس التحلل الأحيائي البلاستيكي، لكل منها شروط ومعايير مختلفة، ويعد فهم المكان الذي يناسبه نظام ASTM D5338 من بينها أمراً أساسياً لتنمية المنتجات العالمية.

ASTM D6400 and D686868

2 - أما نظام ASTM D6400 فهو المواصفات الخاصة بالبلاستيك المركب، في حين يتناول نظام ASTM D686868 المعاطف المركبه على الورق وغيره من المضبوطات الفرعية، ويعتمد كلاهما على نظام ASTM D5338 باعتباره طريقة اختبار التحلل الأحيائي، وبعبارة أخرى، ASTM D5338 هو المحرك التحليلي الذي يقوم عليه اعتماد نظام ASTM D6400]: DisLT:1].

EN 13432 and ISO 14855

ويشبه المعيار الأوروبي رقم 13432 قياساً قياسياً للمقياس القياسي للصرف الآلي D6400 ويتطلب اختبار التحلل الأحيائي لكل المعيار إيزو 14855 (أي ما يعادله دولياً من نظام ASTM D5338)، ويستخدم المعيار إيزو 14855 ظروفاً مماثلة للتمركز المراقب ولكنه يختلف اختلافاً طفيفاً في إعداد الأورام وتفسير البيانات، وفي حين أن معيار المحاسبة D5338 و ISO 14855 يسفران عن نتائج قابلة للمقارنة، فإن هيئات التصديق كثيراً ما تطالب بالامتثال للمعايير المحددة المستخدمة في مناطقها.

لماذا جهاز آلي D5338 هو مُنقّز

ويُعدّ نظام ASTM D5338 فريداً من حيث تركيزه على المرحلة الحرارية من الترميز، وتوجيهه المفصل بشأن تقنيات قياس ثاني أكسيد الكربون، كما أنه يسمح صراحة باستخدام مختلف أساليب الكشف عن ثاني أكسيد الكربون (التركيب، والكروماتوغرافيا الغازية، والأشعة دون الحمراء)، مما يتيح المرونة للمختبرات، وعلى النقيض من ذلك، فإن المعيار الدولي للتلوث غير المباشر لثاني أكسيد الكربون، الذي يشمل أيضاً شرطاً للتلوث غير القابل للتحلل البلاستيكي (D5338).

التحديات والحدود

وفي حين أن نظام الصرف الآلي D5338 أداة قوية، يجب تفسير نتائجه بحذر، فبيئة المختبر، بينما تخضع للمراقبة، لا تستنسخ تماماً ظروف الترسبات في العالم الحقيقي.

التفاوت في ظروف الترميز

ويحدد المعيار درجة حرارة قدرها 58 درجة مئوية، ولكن المبردات الصناعية الفعلية قد تعمل في درجات حرارة أقل أو أعلى، مما يؤدي إلى تباطؤ أو أسرع في التحلل الأحيائي، كما أن محتوى الضبط ومعدلات الإضاءة تختلف من الناحية العملية، وقد يتحلل البلاستيك الذي يتجاوز المعيار د5338 بيولوجياً ببطء أكبر في مرفق دونوبتيمالي، وعلى العكس من ذلك، قد تظهر بعض المواد تدهوراً سريعاً في الاختبار ولكنها تنتج معابد سمية في غيبوبة حقيقية.

التباين مع الترميز العالمي الحقيقي

وتستخدم اختبارات المختبرات محرقة متحكمة للمواقع النضجية، ولكن مجتمع الميكروبيات في عملية التبريد التجاري متنوع ودينامي، ولا تُستخدم تدابير الاختبار إلا للتحلل الأحيائي الهوائي؛ ولا تُستوعب ظروفاً مُعقدة أكثر يمكن أن تحدث في أكوام مُعدّلة من الأحماض، وعلاوة على ذلك، كثيرا ما تُركَب مواد الاختبار في الجسيمات الصغيرة، التي قد لا تعكس سلوك المواد البلاستيكية الأكبر حجما أو الأكثر سمة().

مدة الاختبار وتكاليفه

ويستغرق اختبار قياسي للتحلل البحري D5338 45 إلى 90 يوما، وهو سريع نسبيا مقارنة ببعض اختبارات التحلل الأحيائي في التربة أو البحر التي قد تجري لسنوات، غير أن التكلفة لكل اختبار يمكن أن تتراوح بين عدة آلاف و أكثر من عشرة آلاف دولار، تبعا لعدد المكررات والمحللات المطلوبة، وبالنسبة لخط الأنابيب في مجال تطوير المنتجات، يمكن أن تكون هذه التكلفة كبيرة، ولا سيما إذا كانت هناك حاجة إلى عدة مرات في التركيب.

التطبيقات العملية للمصانع

اختبارات الحاسب الآلي D5338 ليست مجرد صندوق مراقبة تنظيمية؛ فهي توفر بيانات قابلة للتنفيذ يمكن أن تسترشد بها استراتيجيات تصميم المواد وتسويقها.

تطوير المواد والتحقق منها

ويستخدم مهندسو المواد الكيميائية واللدائن نظام ASTM D5338 لتقييم البوليمرات النموذجية، والإضافة، وأساليب المعالجة، ويمكنهم، من خلال مقارنة منحنى التحلل الأحيائي لمختلف التركيبات، تحديد العناصر التي تعوق أو تعجل الهجوم على الميكروبيات، مثلا، أن إضافة الألياف الطبيعية أو البلورات المجاعة تؤدي في كثير من الأحيان إلى زيادة معدلات التحلل الأحيائي، بينما قد تقوم بعض العوامل المتشابكة أو عوامل التثبيت بإيقاف.

الامتثال التنظيمي

في ولايات مثل كاليفورنيا التي تتطلب أكياس بلاستيكية مركبه للوفاء بمعايير ASTM D6400، بيانات ASTM D5338 ضرورية لإثبات الامتثال، وبالمثل، يُلزم توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن البلاستيك المفرد باستخدام بعض المنتجات بأن تكون قابلة للتصويب، والدليل الأساسي على ذلك هو نتيجة ISO 14855 أو ASTM D5338، وبدون اختبارات صارمة، يُذكر المصنعون بخطر التعرض للغرامات أو المنتجات.

التسويق والوسم

(أ) العلامات الإلكترونية مثل علامة (أوك كومبوس) من (تو في النمسا) أو شهادة بي آي في أمريكا الشمالية تتطلب إصدار (سي تي إس تي د5338) كشرط أساسي، هذه العلامات تُنشئ ثقة المستهلكين وتُميز المنتجات في سوق مزدحمة، لكن يجب أن يضمن المصانعون أن المطالبات صحيحة ومدعمة بالأدلة [الأطراف الخضراء:]

أفضل الممارسات لإجراء اختبارات في نظام ASTM D5338

ولزيادة موثوقية النتائج وقابليتها للمقارنة، ينبغي للمختبرات ومطوري المنتجات أن يلتزموا بأفضل الممارسات.

اختيار المواد الخاضعة للمراقبة والمراجع

وينبغي أن تكون المراقبة الإيجابية مادة قابلة للتحلل الأحيائي ذات مواصفات جيدة مثل الخلايا الدقيقة أو مسحوق الخلايا النحيلية ذات النوافذ الخفيفة، وينبغي أن تكون المراقبة السلبية بلاستيكاً غير قابل للتحلل (مثل مختبرات البوليثيلين المنخفضة الكثافة) للتحقق من أن نظام الاختبار يعمل بشكل صحيح، وينبغي أن ينتج مستويات ثاني أكسيد الكربون التي يمكن اختراقها من البلاستيك المعروف.

الأثر والعلامة الإحصائية

وهناك معيار لا يقل عن ثلاث نسخ لكل مادة اختبار وكل مراقبة، وقد يلزم المزيد من النسخ إذا كانت المادة غير متجانسة أو إذا كان التحلل الأحيائي المتوقع قريب من عتبة المرور/الوفاة، وينبغي الإبلاغ عن الانحراف المعياري بين المستنسخين، ويجب استبعاد أي نتائج غير عادية (مثل تسرب السفن أو التلوث) بمبررات.

سلسلة الاحتجاز والتوثيق

ومن الأهمية بمكان أن تتضمن الوثائق الشاملة الوثائق التنظيمية والمراجعات، كما ينبغي أن يتضمن تقرير الاختبار التكوين الدقيق للمواد، ووزنها الجزيئي، وبلورة الممتلكات الحرارية، إلى جانب مصدر الأورام والعمر، وأن تضيف صور الاختبارات الخاصة بتركيب الاختبارات وبقايا ما بعد الاختبار شفافية، ويشترط العديد من الموثقين أن يكون مختبر الاختبار هو 125-1 معتمداً لطريقة محددة في نظام التكييف الدولي D5338، ضمان الاستقلالية.

الاتجاهات المستقبلية في اختبار التحلل البيولوجي

ومع تطور صناعة البلاستيك، فإن ذلك أيضاً يتطور من حيث معايير التحلل الأحيائي.

السلف في التقنيات التحليلية

ويمكن أن توفر أساليب أحدث مثل المواعدة بالكربونات المشعة (لتمييز علم الأحياء عن الكربون الأحفوري) والتحليل الأيزوتوي معلومات أكثر تفصيلاً عن مصدر الكربون الذي يجري إزالته، وتسمح أجهزة الاستشعار التنفسية الآن برصد ثاني أكسيد الكربون في الوقت الحقيقي بتكلفة مخفضة، وبالإضافة إلى ذلك، يقوم الباحثون بتطوير أدوات فحص سريعة باستخدام اختبارات الكيمياء الدقيقة التي تنبأ بنتائج قياس ثاني أكسيد الكربون D53 في أيام بدلاً من أشهر، وإن لم تقبل بعد هذه الأدوات لإصدار شهادات.

مواءمة المعايير العالمية

وهناك ضغط متزايد من الشركات المتعددة الجنسيات لتنسيق معايير الصرف الآلي، والمنظمة الدولية لتوحيد المقاييس، ومعايير الشبكة الدولية للحد من الازدواجية في الاختبارات، وتعمل منظمات مثل المنظمة الدولية للتوحيد القياسي على وضع بروتوكول موحد يضم عناصر من النظام الآلي للبيانات الجمركية D5338، و ISO 14855، و EN 13432، ومن شأن هذا التنسيق أن يساعد على تبسيط عملية التصديق على المنتجات للأسواق العالمية.

ما بعد التكوين - البحرية والتربوية

وفي حين أن نظام ASTM D5338 يركز على التبريد، فإن المعايير الجديدة للتحلل البيولوجي في المياه البحرية (ASTM D6691)، والمياه العذبة (ASTM D5271)، والتربة (ISO 17556) تكتسب مهارة، وقد يتطلب الاختبار المقبل " لمحة عن التحلل البيولوجي " عبر بيئات متعددة، كما أن نظام ASTM D5338 يظل الاختبار الرئيسي للقابلية للتشريد، ولكن مبادئه تتوسع في سائر الوسائل التي تحتاج إلى تجديدات.

وفي الختام، فإن نظام ASTM D5338 هو أسلوب اختبار صارم ومستقر يوفر بيانات أساسية عن التحلل الأحيائي الهوائي لللدائن في ظروف الترميز الصناعي، ويدعم تطوير المنتجات والامتثال التنظيمي والتسويق البيئي الموثوق به، وفي حين أن لديه قيوداً - خاصة في الاستقراء لنهج التقلبات المهيأة في العالم الحقيقي - مما جعله معيار الذهب في أمريكا الشمالية ومقياساً محترماً للتلوث في العالم أجمع(53).

For more information, refer to the official ASTM D5338 standard]. A detailed scientific review of biodegradation testing can be found in ] this 2022 paper from Polymer Degradation and Stability. The European Bioplasses guidelines on environmental claims[5]