Safety assessment of novel bio-based polymers and compounds used in low carbon technologies

Abstract

Fossiilsel toormel baseeruvate materjalide ja kemikaalide kasutuse kiire kasv maailmas on tõstatanud tõsiseid muresid nende pikaajalise mõju osas keskkonnale ja inimeste tervisele. Seetõttu on kasvanud nõudlus jätkusuutlikumate lahenduste järele. Näiteks plastide vallas keskendutakse taastuvast biotoormest monomeeride ja polümeeride väljatöötamisele. Kuigi need alternatiivid on loodud fossiilsetest plastidest sõltuvuse vähendamiseks, ei saa nende ohutust ilma uurimata garanteerida, kuna ka biopõhised monomeerid, polümeerid või nende laguproduktid võivad olla toksilised. Käesolevas töös uuritakse uute biopõhiste materjalide mõju erinevatele organismidele. Konkreetselt hinnatakse isosorbiidil põhinevaid akrülaate ja metakrülaate, PLA-l põhinevaid akrülaate, ligniinipõhiseid metakrülaate ning CO₂ sidumisel ja “vahetatava vee” lahustisüsteemides kasutatavaid amiine. Veekeskkonna ökotoksikoloogilised testid bakteritega (Alivibrio fischeri, Escherichia coli), soontaimedega (Spirodela polyrhiza) ja selgrootutega (Thamnocephalus platyurus, Daphnia magna) näitasid, et mõned monomeerid, eriti akrülaadid, põhjustavad mõõdukat kuni tugevat toksilisust, samas kui nende vastavad polümeerid osutusid enamasti mittetoksilisteks. Tsütotoksilisuse testid inimese HeLa rakkudel näitasid samuti, et polümeeerid on oluliselt ohutumad kui vastavad monomeerid. CO₂ sidumiseks kasutatavate amiinide ökotoksikoloogiline hindamine näitas, et antud ühendid on üldiselt vesikekkonnale suhteliselt ohutud, aga ettevaatlik tuleks olla hüdrofoobsete omadustega diamiinidega. Lisaks näitas biofilmi analüüs erinevatel materjalidel, et bakterite koloniseerumine sõltub materjali tüübist: tavalised plastid ja kaetud paberid toetasid erinevaid mikroobikooslusi. Need biofilmid sisaldasid ka lagundamisvõimelisi mikroobe, mis rõhutab nende ökoloogilist tähtsust. Töö tulemused rõhutavad vajadust enne uute biopõhiste kemikaalide ja materjalide laiemat kasutuselevõttu hinnata nii nende võimaliku toksilisust kui ka mikroobide koostoimeid, et lisaks väiksemale süsiniku jalajäljele tagada ka ohutus keskkonnale ja inimesele.

The worldwide rise in material and chemical usage, especially plastics, has raised significant concern over their long-term effects on the environment and human health. As a result, there is a growing interest in sustainable alternatives, leading to the development of innovative bio-based monomers and polymers from renewable resources. Although these options are intended to reduce reliance on fossil-derived plastics, their safety is not assured; some bio-based monomers, polymers, or their degradation products may still be toxic. This underscores the need for a thorough environmental evaluation of such alternatives. This thesis investigates the environmental risks associated with bio-based materials, including isosorbide-based acrylates and methacrylates, PLA-derived acrylates, lignin-based methacrylates, and amines used in CO₂ capture and “switchable water” solvent systems. A series of aquatic ecotoxicological assays using bacteria (Alivibrio fischeri, Escherichia coli), vascular plants (Spirodela polyrhiza), and invertebrates (Thamnocephalus platyurus, Daphnia magna) revealed that some monomers, especially acrylates, exhibited moderate to high toxicity, while their corresponding polymers were mainly non-toxic. Cytotoxicity testing on human HeLa cells further indicated a significant reduction in toxicity upon polymerization. Ecotoxicological evaluation of amines used in CO₂ capturing technologies revealed that these compounds are relatively safe towards aqueous life, except for the more hydrophobic diamines, which should be carefully considered. Furthermore, biofilm analysis on various materials showed that bacterial colonization patterns depend on the type of material, with conventional plastics and coated paperboard supporting distinct microbial communities. These biofilms include taxa with known biodegradability, highlighting their ecological significance. Overall, these findings emphasize that the chemical toxicity and microbial interactions of new bio-based materials need to be carefully assessed prior to their wider use. This comprehensive evaluation is essential to ensure that such materials not only lower carbon emissions but also safeguard environmental and human health.