De wereld verdrinkt in een vloed van plastic. Jaarlijks komt er acht miljoen ton plastic in de oceanen terecht. Ook landbouwgronden worden bedreigd door plasticvervuiling. Boeren over de hele wereld brengen enorme hoeveelheden polyethyleen (PE) mulchfilms aan op de bodem om onkruid te bestrijden, de bodemtemperatuur verhogen en de bodem vochtig houden, waardoor de totale gewasopbrengsten toenemen.

Na de oogst, het is vaak onmogelijk voor boeren om hele films opnieuw te verzamelen, vooral als ze maar een paar micrometer dun zijn. Filmafval komt dan in de grond terecht en hoopt zich na verloop van tijd op in de grond, omdat PE niet biologisch afbreekbaar is. Filmresten in de bodem verminderen de bodemvruchtbaarheid, het watertransport belemmeren en de groei van gewassen verminderen.

Bodemmicroben mineraliseren films die zijn samengesteld uit alternatief polymeer

Onderzoekers van ETH Zürich en het Zwitserse Federale Instituut voor Aquatische Wetenschap en Technologie (Eawag) hebben nu in een interdisciplinair onderzoek aangetoond dat er reden is om hoopvol te zijn. In hun recente studie, ze tonen aan dat bodemmicroben films afbreken die zijn samengesteld uit het alternatieve polymeer poly(butyleenadipaat-co-tereftalaat) (PBAT). Hun werk is zojuist gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

In het onderzoeksproject gecoördineerd door Michael Sander, Kristopher McNeill en Hans-Peter Kohler, voormalig ETH-promovendus Michael Zumstein slaagde erin aan te tonen dat bodemmicro-organismen de koolstof in het PBAT-polymeer metabolisch gebruikten, zowel voor energieproductie als ook om microbiële biomassa op te bouwen.

"Dit onderzoek toont direct aan, Voor de eerste keer, dat bodemmicro-organismen PBAT-films in bodems mineraliseren en koolstof van het polymeer naar hun biomassa overbrengen, " zegt Michael Sander, Senior wetenschapper in de Environmental Chemistry Group van de afdeling Environmental Systems Science aan de ETH Zürich.

zoals PE, PBAT is een op aardolie gebaseerd polymeer dat wordt gebruikt om verschillende producten te maken, inclusief mulchfolies. Omdat PBAT al geclassificeerd was als biologisch afbreekbaar in compost, de ETH- en Eawag-onderzoekers wilden nagaan of PBAT ook biologisch afbreekbaar is in landbouwgronden. Ter vergelijking, PE wordt niet biologisch afgebroken in compost of in de bodem.

Etikettering van polymeer met koolstof-13

In hun experimenten, de onderzoekers gebruikten PBAT-materiaal dat op maat was gesynthetiseerd uit monomeren om een ​​gedefinieerde hoeveelheid van de stabiele koolstof-13-isotoop te bevatten. Met dit isotooplabel konden de wetenschappers de van polymeer afgeleide koolstof volgen langs verschillende biologische afbraakroutes in de bodem.

Bij biologische afbraak van PBAT, de bodemmicro-organismen maakten koolstof-13 vrij uit het polymeer.

Met behulp van isotoopgevoelige analytische apparatuur, de onderzoekers ontdekten dat de koolstof-13 van PBAT niet alleen werd omgezet in koolstofdioxide (CO2) als gevolg van microbiële ademhaling, maar ook werd opgenomen in de biomassa van micro-organismen die het polymeeroppervlak koloniseerden.

Echte biologische afbraak

"Het mooie van onze studie is dat we stabiele isotopen hebben gebruikt om PBAT-afgeleide koolstof nauwkeurig te volgen langs verschillende biologische afbraakroutes van het polymeer in de bodem, ", zegt Michael Zumstein.

De onderzoekers zijn de eersten die met succes aantonen - met hoge wetenschappelijke nauwkeurigheid - dat een plastic materiaal effectief biologisch wordt afgebroken in de bodem. Niet alle materialen die in het verleden als "biologisch afbreekbaar" werden bestempeld, voldeden echt aan de noodzakelijke criteria. "Biologische afbraak vereist per definitie dat microben alle koolstof in de polymeerketens metabolisch gebruiken voor energieproductie en biomassavorming - zoals we nu hebben aangetoond voor PBAT, " zegt Hans-Peter Kohler, milieumicrobioloog bij Eawag.

De definitie benadrukt dat biologisch afbreekbare kunststoffen fundamenteel verschillen van kunststoffen die slechts uiteenvallen in kleine plastic deeltjes, bijvoorbeeld na blootstelling van het plastic aan zonlicht, maar die mineraliseren niet. "Veel plastic materialen brokkelen gewoon af tot kleine fragmenten die in het milieu blijven bestaan ​​als microplastics - zelfs als dit plastic onzichtbaar is voor het blote oog, ' zegt Kohler.

In hun experiment hebben de onderzoekers deden 60 gram aarde in glazen flessen met elk een inhoud van 0,1 liter en stopten vervolgens de PBAT-films op een stevige drager in de grond.

Na zes weken incubatie, de wetenschappers beoordeelden de mate waarin bodemmicro-organismen de PBAT-oppervlakken hadden gekoloniseerd. Ze kwantificeerden verder de hoeveelheid CO2 die werd gevormd in de incubatieflessen en hoeveel van de koolstof-13-isotoop de CO2 bevatte. Eindelijk, om direct de opname van koolstof uit het polymeer in de biomassa van micro-organismen op de polymeeroppervlakken aan te tonen, ze werkten samen met onderzoekers van de Universiteit van Wenen.

In dit stadium, de onderzoekers kunnen nog niet met zekerheid zeggen over welk tijdsbestek PBAT degradeert in bodems in de natuurlijke omgeving, aangezien ze hun experimenten in het laboratorium hebben uitgevoerd, niet in het veld. Onderzoeken op langere termijn in verschillende bodems en onder verschillende omstandigheden in het veld zijn nu nodig om de biologische afbraak van PBAT-films onder reële omgevingsomstandigheden te beoordelen.

Te vroeg voor een all-clear

"Helaas, er is nog geen reden om te juichen:we zijn nog lang niet klaar met het oplossen van het wereldwijde milieuprobleem van plasticvervuiling, " zegt Sander, "maar we hebben een zeer belangrijke eerste stap gezet in de richting van de biologische afbreekbaarheid van plastic in de bodem."

Tegelijkertijd, hij waarschuwt voor onrealistische verwachtingen voor biologisch afbreekbare kunststoffen in het milieu:"Zoals we hebben aangetoond, er is hoop voor onze bodem in de vorm van biologisch afbreekbare polymeren. De resultaten van de bodem moeten, echter, niet direct worden overgedragen aan andere natuurlijke omgevingen. Bijvoorbeeld, biologische afbraak van polymeren in zeewater kan aanzienlijk langzamer zijn, omdat de omstandigheden daar anders zijn en dat geldt ook voor de microbiële gemeenschappen."

Nieuwe tool gemaakt

De onderzoekers verwachten dat hun onderzoek door de industrie zal worden opgemerkt. "We hebben analysetechnieken ontwikkeld die de deur openen voor de industrie om de milieu-impact van hun plastic producten te testen, ", zegt co-auteur Kristopher McNeill. "Dankzij onze methode, ze kunnen overschakelen op het gebruik van biologisch afbreekbare materialen bij de productie van dunne mulchfilms in plaats van niet-afbreekbare PE, " hij voegt toe.

Tot dusver, slechts enkele chemische bedrijven zijn begonnen met het produceren en op de markt brengen van de milieuvriendelijkere, maar ook duurder PBT-films. Onder hen is het Duitse bedrijf BASF, die deze studie ondersteunden. "In vergelijking met de totale hoeveelheid plastic die in omloop wordt gebracht, biologisch afbreekbare mulchfolies spelen slechts een ondergeschikte rol. Nog, deze producten zijn een belangrijk startpunt om de belasting van landbouwbodems te verminderen en op lange termijn te beschermen tegen plasticophoping, ' zegt Sander.

Een extra optie om het volume van plastic dat in landbouwbodems terechtkomt te verminderen, is het gebruik van dikkere mulchfilms, die ook in de Zwitserse landbouw worden gebruikt. Deze films kunnen na gebruik opnieuw worden ingezameld en vervolgens worden hergebruikt of afgevoerd via afvalverbranding.