Initiating Biodegradation of Polyvinylpyrrolidone in an Aqueous Aerobic Environment: Technical Note / Zainicjowanie Biodegradacji Poliwinylopirolidonu W Środowisku Wodno-Tlenowym: Notatki Techniczne

• Authors: Marketa Julinova , Jan Kupec , Roman Slavik , Maria Vaskova
• Languages of publication: EN

Abstracts

EN

A synthetic polymer, polyvinylpyrrolidone (PVP - E 1201) primarily finds applications in the pharmaceutical and food industries due to its resistance and zero toxicity to organisms. After ingestion, the substance passes through the organism unchanged. Consequently, it enters the systems of municipal wastewater treatment plants (WWTP) without decomposing biologically during the waste treatment process, nor does it attach (through sorption) to particles of activated sludge to any significant extent, therefore, it passes through the system of a WWTP, which may cause the substance to accumulate in the natural environment. For this reason the paper investigates the potential to initiate aerobic biodegradation of PVP in the presence of activated sludge from a municipal wastewater treatment plant. The following agents were selected as the initiators of the biodegradation process - co-substrates: acrylamide, N-acethylphenylalanine and 1-methyl-2-pyrrolidone, a substance with a similar structure to PVP monomer. The biodegradability of PVP in the presence of co-substrates was evaluated on the basis of biological oxygen demand (BOD) as determined via a MicroOxymax O2/CO2/CH4 respirometer. The total substrate concentration in the suspension equaled 400 mg·dm-3, with the ratio between PVP and the cosubstrate being 1:1, while the concentration of the dry activated sludge was 500 mg·dm-3. Even though there was no occurrence of a significant increase in the biodegradation of PVP alone in the presence of a co-substrate, acrylamide appeared to be the most effective type of co-substrate. Nevertheless, a recorded decrease in the slope of biodegradation curves over time may indicate that a process of primary decomposition was underway, which involves the production of metabolites that inhibit activated sludge microorganisms. The resulting products are not identified at this stage of experimentation.

PL

Syntetyczny polimer, poliwinylopirolidon (PVP - E 1201), znajduje zastosowanie przede wszystkim w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym ze względu na jego odporność i brak toksyczności dla organizmów. Po spożyciu substancja ta przechodzi przez organizm niezmieniona. W związku z tym, że w procesie przetwarzania odpadów w komunalnym systemie oczyszczalni ścieków (OŚ) polimer ten nie ulega rozkładowi biologicznemu ani nie jest znacząco sorbowany w osadzie czynnym, może on gromadzić się w środowisku naturalnym. Ze względu na istnienie tych problemów w artykule przedstawiono możliwości aerobowej inicjacji biodegradacji PVP w obecności osadu czynnego miejskiej oczyszczalni ścieków. Jako inicjatory procesu biodegradacji zostały wybrane następujące środki: kosubstraty, akryloamid, N-acetylofenyloalanina i 1-metylo-2-pirolidon, substancje o strukturze podobnej do monomeru PVP. Biodegradację PVP w obecności kosubstratów oceniano na podstawie biologicznego zapotrzebowania na tlen (BOD), określonego za pomocą respirometru MicroOxymax O2/CO2/CH4. Całkowite stężenie substratu w zawiesinie wynosiło 400 mg · dm-3 dla stosunku PVP i kosubstratu wynoszącego 1:1 oraz dla stężenia suchego osadu czynnego wynoszącego 500 mg · dm-3. Chociaż nawet w tym układzie nie stwierdzono wzrostu biodegradacji samego PVP w obecności kosubstratu, to sam akryloamid okazał się najbardziej efektywnym rodzajem podłoża. Niemniej jednak, zauważony spadek nachylenia krzywych biodegradacji w czasie może wskazywać, że zachodzi proces rozkładu pierwotnego, który wiąże się z produkcją metabolitów hamujących aktywowane mikroorganizmy osadu. Otrzymane produkty nie zostały zidentyfikowane na tym etapie badań.

Keywords

EN

polyvinylpyrrolidone; biodegradation; activated sludge; aqueous environment

PL

poliwinylopirolidon; biodegradacja; czynny osad ściekowy; środowisko wodne

• Publisher: De Gruyter Open
• Journal: Ecological Chemistry and Engineering S
• Year: 2013
• Volume: 20
• Issue: 1
• Pages: 199-208

Dates

published

1 - 03 - 2013

online

23 - 02 - 2013

Contributors

author

Marketa Julinova

• Centre of Polymer Systems, Department of Environment Protection Engineering, Tomas Bata University Zlin, T.G. Masaryka nam. 5555, 760 01 Zlin, Czech Republic, phone [phone], fax [phone]

author

Jan Kupec

• Department of Environment Protection Engineering, Tomas Bata University Zlin, T.G. Masaryka nam. 275, 762 01 Zlin, Czech Republic, phone [phone], fax [phone]

author

Roman Slavik

• Department of Environment Protection Engineering, Tomas Bata University Zlin, T.G. Masaryka nam. 275, 762 01 Zlin, Czech Republic, phone [phone], fax [phone]

author

Maria Vaskova

• Department of Environment Protection Engineering, Tomas Bata University Zlin, T.G. Masaryka nam. 275, 762 01 Zlin, Czech Republic, phone [phone], fax [phone]

References

• [1] Bühler V. Polyvinylpyrrolidone Excipients for Pharmaceuticals, Povidone, Crospovidone and Copovidone. Berlin, Heidelberg, New York: Springer; 2005.
• [2] Robinson BV, Sullivan FM, Borzelleca JF, Schwarz SL. A Critical Review of the Kinetics and Toxicology of Polyvinylpyrrolidone. London: Lewis Publisher; 1990.
• [3] Trimpin S, Eichhorn P, Rader HJ, Mullen K, Knepper TP. J Chromatogr A. 2001;938:67-77. DOI: 10.1016/S0021-9673(01)01153-0.[Crossref]
• [4] Loraine GA. Water Environ Res. 2008;80:373-379. DOI: 10.2175/106143008X266779.[PubMed][Crossref]
• [5] Hong Y, Chirila TV, Vijayasekaran S, Shen WY, Lou X, Dalton PD. J Biomed Mater Res. 1998;39:650-659. DOI: 10.1002/(SICI)1097-4636(19980315)39:4<650::AID-JBM21>3.0.CO;2-9.[Crossref][PubMed]
• [6] Klívar S. Posibility of PVP sorption on biological sludge [Diploma Thesis]. Zlín: Thomas Bata University in Zlin; 2010.
• [7] Abd El-Mohdy HL, Ghan S. J Polym Res. 2009;16:1-10. DOI: 10.1007/s10965-008-9196-0.[Crossref]
• [8] Marušincová H. Study of the Possibility of Biological Removal of Polyvinylpyrrolidone [Diploma Thesis]. Zlín: Tomas Bata University in Zlin; 2009.
• [9] Brabban AD, Littlechild J, Wisdom R. J Ind Microbiol. 1996;16:8-14. DOI: 10.1007/BF01569915.[Crossref]
• [10] Wang JJ, Guo XY, Zheng GJ, Wen C. Ann of Microbiol. 2009;59:345-348.
• [11] Toogood SH, Brown CR, Line K, Keene AP, Taylor JCS, McCague R, Littlechild J. Tetrahedron. 2004;60:711-716. DOI: 10.1016/j.tet.2003.11.064.[Crossref]
• [12] Line K, Isupov NM, Littlechild J. J Mol Biol. 2004;338:519-532. DOI: 10.1016/j.jmb.2004.03.001.[Crossref]
• [13] Hickey AM, Ngamsom B, Wiles C, Greenway GM, Watts P, Littlechild J. Biotechnol J. 2009;4:510-516. DOI: 10.1002/biot.200800302.[PubMed][Crossref]
• [14] ČSN EN ISO 9408 Water quality - Evaluation of ultimate aerobic biodegradability of organic compounds in aqueous medium by determination of oxygen demand in a closed respirometer. 1999, Czech standard.

Identifiers

DOI

10.2478/eces-2013-0015