Världen drunknar i en översvämning av plast. Åtta miljoner ton plast hamnar i haven varje år. Jordbruksjord hotas också av plastföroreningar. Jordbrukare runt om i världen applicerar enorma mängder polyetenmjölkfilm på jordar för att bekämpa ogräs, höja jordtemperaturen och håll jorden fuktig, vilket ökar den totala skörden.

Efter skörd, det är ofta omöjligt för bönder att samla om hela filmer, särskilt när de bara är några mikrometer tunna. Filmrester tränger sedan in i jorden och ackumuleras i jorden med tiden, eftersom PE inte bryts ned biologiskt. Filmrester i jordar minskar jordens bördighet, stör vattentransporten och minskar grödans tillväxt.

Jordmikrober mineraliserar filmer som består av alternativ polymer

Forskare vid ETH Zürich och Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (Eawag) har nu visat i en tvärvetenskaplig studie att det finns anledning att vara hoppfull. I deras senaste studie, de visar att jordmikrober bryter ned filmer som består av den alternativa polymeren poly(butylenadipat-co-tereftalat) (PBAT). Deras arbete har precis publicerats i tidskriften Vetenskapens framsteg .

I forskningsprojektet koordinerat av Michael Sander, Kristopher McNeill och Hans-Peter Kohler, tidigare ETH-doktoranden Michael Zumstein lyckades visa att markmikroorganismer metaboliskt utnyttjade kolet i PBAT-polymeren både för energiproduktion och även för att bygga upp mikrobiell biomassa.

"Denna forskning visar direkt, för första gången, att markmikroorganismer mineraliserar PBAT-filmer i jordar och överför kol från polymeren till sin biomassa, säger Michael Sander, Senior forskare i Environmental Chemistry Group vid institutionen för miljösystemvetenskap vid ETH Zürich.

Som PE, PBAT är en petroleumbaserad polymer som används för att tillverka olika produkter, inklusive kompostfilmer. Eftersom PBAT redan klassificerats som biologiskt nedbrytbart i kompost, forskarna från ETH och Eawag syftade till att bedöma om PBAT också bryts ned biologiskt i jordbruksmark. Som jämförelse, PE bryts inte ned biologiskt i kompost eller i jord.

Märkning av polymer med kol-13

I sina experiment, forskarna använde PBAT-material som specialsyntetiserades från monomerer för att innehålla en definierad mängd av den stabila kol-13-isotopen. Denna isotopmärkning gjorde det möjligt för forskarna att spåra det polymerhärledda kolet längs olika biologiska nedbrytningsvägar i marken.

Vid biologisk nedbrytning av PBAT, jordmikroorganismerna frigjorde kol-13 från polymeren.

Använda isotopkänslig analysutrustning, forskarna fann att kol-13 från PBAT inte bara omvandlades till koldioxid (CO2) som ett resultat av mikrobiell andning utan också införlivades i biomassan av mikroorganismer som koloniserade polymerytan.

Verklig biologisk nedbrytning

"Det fina med vår studie är att vi använde stabila isotoper för att exakt spåra PBAT-härledt kol längs olika biologiska nedbrytningsvägar för polymeren i jorden, säger Michael Zumstein.

Forskarna är de första som framgångsrikt har visat – med hög vetenskaplig rigor – att ett plastmaterial effektivt bryts ned biologiskt i jordar. Alla material som tidigare var märkta "biologiskt nedbrytbara" uppfyllde verkligen de nödvändiga kriterierna. "Per definition kräver biologisk nedbrytning att mikrober metaboliskt använder allt kol i polymerkedjorna för energiproduktion och biomassabildning - som vi nu har visat för PBAT, säger Hans-Peter Kohler, miljömikrobiolog på Eawag.

Definitionen understryker att biologiskt nedbrytbar plast i grunden skiljer sig från de som bara sönderfaller till små plastpartiklar, till exempel efter exponering av plasten för solljus, men det mineraliseras inte. "Många plastmaterial smulas helt enkelt sönder till små fragment som finns kvar i miljön som mikroplaster - även om denna plast är osynlig för blotta ögat, Säger Kohler.

I deras experiment, forskarna placerade 60 gram jord i glasflaskor vardera med en volym på 0,1 liter och satte sedan in PBAT-filmerna på ett fast underlag i jorden.

Efter sex veckors inkubation, forskarna bedömde i vilken utsträckning markmikroorganismer hade koloniserat PBAT-ytorna. De kvantifierade vidare mängden CO2 som bildades i inkubationsflaskorna och hur mycket av kol-13-isotopen CO2 innehöll. Till sist, att direkt demonstrera inkorporeringen av kol från polymeren i biomassan av mikroorganismer på polymerytorna, de samarbetade med forskare från universitetet i Wien.

I detta skede, forskarna kan ännu inte säga med säkerhet under vilken tidsram PBAT bryts ned i jordar i den naturliga miljön med tanke på att de genomförde sina experiment i labbet, inte på fältet. Långtidsstudier i olika jordar och under olika förhållanden i fält behövs nu för att bedöma den biologiska nedbrytningen av PBAT-filmer under verkliga miljöförhållanden.

För tidigt för en helt klar

"Tyvärr, Det finns ingen anledning att jubla ännu:vi är fortfarande långt ifrån att lösa det globala miljöproblemet med plastföroreningar, säger Sander, "men vi har tagit ett mycket viktigt första steg i riktning mot plastens biologiska nedbrytbarhet i jord."

På samma gång, han varnar för orealistiska förväntningar på biologiskt nedbrytande plast i miljön:"Som vi har visat, det finns hopp för våra jordar i form av biologiskt nedbrytbara polymerer. Resultaten från jord bör, dock, inte direkt överföras till andra naturmiljöer. Till exempel, biologisk nedbrytning av polymerer i havsvatten kan vara betydligt långsammare, eftersom förhållandena där är olika och de mikrobiella samhällena. "

Nytt verktyg skapat

Forskarna räknar med att deras studie kommer att märkas av industrin. "Vi har utvecklat analystekniker som öppnar dörren för industrin att testa miljöpåverkan från sina plastprodukter, " säger medförfattaren Kristopher McNeill. "Tack vare vår metod, de kan byta till att använda biologiskt nedbrytbara material i produktionen av tunna kompostfilmer istället för icke-nedbrytbar PE, " han lägger till.

Än så länge, endast ett fåtal kemiföretag har börjat producera och marknadsföra de mer miljövänliga, men också dyrare, PBAT -filmer. Bland dessa finns det tyska företaget BASF, som stödde denna studie. "Jämfört med den totala volymen plast som förs i cirkulation, biologiskt nedbrytbara kompostfilmer spelar bara en mindre roll. Än, dessa produkter är en viktig utgångspunkt för att minska stressen på jordbruksmark och skydda dem från plastackumulering på lång sikt, säger Sander.

Ett ytterligare alternativ för att minska volymen plast som kommer in i jordbruksmark är att använda tjockare kompostfilmer, som också används inom schweiziskt jordbruk. Dessa filmer kan samlas in igen efter användning och sedan antingen återanvändas eller kasseras via avfallsförbränning.