Jordfejl gumler på plastik

Verden drukner i en flod af plastik. Otte millioner tons plastik ender hvert år i havene. Landbrugsjord er også truet af plastikforurening. Landmænd over hele verden anvender enorme mængder polyethylen (PE) barkfilm på jorden for at bekæmpe ukrudt, øge jordens temperatur og holde jorden fugtig, derved øger det samlede afgrødeudbytte.

Efter høst, det er ofte umuligt for landmænd at genindsamle hele film, især når de kun er få mikrometer tynde. Filmaffald trænger derefter ind i jorden og samler sig i jorden over tid, fordi PE ikke nedbrydes biologisk. Filmrester i jord reducerer jordens frugtbarhed, forstyrre vandtransporten og mindske afgrødevæksten.

Jordmikrober mineraliserer film sammensat af alternativ polymer

Forskere ved ETH Zürich og det schweiziske føderale institut for akvatisk videnskab og teknologi (Eawag) har nu vist i en tværfaglig undersøgelse, at der er grund til at være håbefuld. I deres nylige undersøgelse, de viser, at jordmikrober nedbryder film sammensat af den alternative polymer poly(butylenadipat-co-terephthalat) (PBAT). Deres arbejde er netop blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

I forskningsprojektet koordineret af Michael Sander, Kristopher McNeill og Hans-Peter Kohler, tidligere ETH -doktorand Michael Zumstein lykkedes at demonstrere, at jordmikroorganismer metabolisk udnyttede kulstoffet i PBAT -polymeren både til energiproduktion og også til at opbygge mikrobiel biomasse.

"Denne forskning viser direkte, for første gang, at jordmikroorganismer mineraliserer PBAT-film i jord og overfører kulstof fra polymeren til deres biomasse, "siger Michael Sander, Seniorforsker i Environmental Chemistry Group i Institut for Environmental Systems Science ved ETH Zürich.

Ligesom PE, PBAT er en oliebaseret polymer, der bruges til at fremstille forskellige produkter, herunder muldfilm. Fordi PBAT allerede var klassificeret som biologisk nedbrydeligt i kompost, ETH- og Eawag -forskerne havde til formål at vurdere, om PBAT også nedbrydes i landbrugsjord. Til sammenligning, PE nedbrydes ikke biologisk i kompost eller i jord.

Mærkning af polymer med carbon-13

I deres eksperimenter, forskerne brugte PBAT-materiale, der var specialsyntetiseret fra monomerer til at indeholde en defineret mængde af den stabile carbon-13-isotop. Denne isotopmærkning gjorde det muligt for forskerne at spore det polymerafledte kul langs forskellige biologiske nedbrydningsveje i jord.

Ved biologisk nedbrydning af PBAT, jordens mikroorganismer frigjorde kulstof-13 fra polymeren.

Brug af isotopfølsomt analyseudstyr, forskerne fandt ud af, at kulstof-13 fra PBAT ikke kun blev omdannet til kuldioxid (CO2) som et resultat af mikrobiel respiration, men også inkorporeret i biomassen af ​​mikroorganismer, der koloniserede polymeroverfladen.

Ægte biologisk nedbrydning

"Skønheden i vores undersøgelse er, at vi brugte stabile isotoper til præcist at spore PBAT-afledt kul langs forskellige biologiske nedbrydningsveje for polymeren i jorden, siger Michael Zumstein.

Forskerne er de første til med succes at demonstrere - med høj videnskabelig stringens - at et plastmateriale effektivt nedbrydes biologisk i jord. Ikke alle materialer, der tidligere var mærket "bionedbrydeligt", opfyldte virkelig de nødvendige kriterier. "Pr definition kræver bionedbrydning, at mikrober metabolisk bruger alt kulstof i polymerkæderne til energiproduktion og biomassedannelse - som vi nu har demonstreret for PBAT, siger Hans-Peter Kohler, miljømikrobiolog ved Eawag.

Definitionen fremhæver, at biologisk nedbrydeligt plastik fundamentalt adskiller sig fra dem, der blot nedbrydes til små plastikpartikler, for eksempel efter eksponering af plasten for sollys, men det mineraliserer ikke. "Mange plastikmaterialer smuldrer simpelthen til små fragmenter, der forbliver i miljøet som mikroplastik - også selvom denne plastik er usynlig for det blotte øje, " siger Kohler.

I deres eksperiment, forskerne lagde 60 gram jord i glasflasker hver med et volumen på 0,1 liter og indsatte efterfølgende PBAT -filmene på en fast støtte i jorden.

Efter seks ugers inkubation, forskerne vurderede, i hvilket omfang jordmikroorganismer havde koloniseret PBAT-overfladerne. De kvantificerede yderligere mængden af ​​CO2, der blev dannet i inkubationsflaskerne, og hvor meget af carbon-13 isotopen, CO2 indeholdt. Endelig, at direkte demonstrere inkorporeringen af ​​kulstof fra polymeren i biomassen af ​​mikroorganismer på polymeroverfladerne, de samarbejdede med forskere fra universitetet i Wien.

På dette tidspunkt, forskerne kan endnu ikke med sikkerhed sige, over hvilken tidsramme PBAT nedbrydes i jordbund i det naturlige miljø, da de har udført deres forsøg i laboratoriet, ikke i marken. Der er nu behov for længerevarende undersøgelser i forskellige jordbund og under forskellige forhold i marken for at vurdere bionedbrydningen af ​​PBAT-film under virkelige miljøforhold.

For tidligt til en helt klar

"Desværre, der er ingen grund til at juble endnu:vi er stadig langt fra at løse det globale miljøproblem med plastikforurening, siger Sander, "men vi har taget et meget vigtigt første skridt i retning af plastisk bionedbrydelighed i jord."

På samme tid, han advarer mod urealistiske forventninger til bionedbrydende plast i miljøet:"Som vi har vist, der er håb for vores jord i form af bionedbrydelige polymerer. Resultaterne fra jord skulle, imidlertid, ikke direkte overføres til andre naturmiljøer. For eksempel, bionedbrydning af polymerer i havvand kan være betydeligt langsommere, fordi forholdene der er forskellige, og det er de mikrobielle samfund også. "

Nyt værktøj oprettet

Forskerne forventer, at deres undersøgelse vil blive bemærket af industrien. "Vi har udviklet analyseteknikker, der åbner døren for industrien for at teste miljøpåvirkningen af ​​deres plastprodukter, " siger medforfatter Kristopher McNeill. "Takket være vores metode, de kan skifte til at bruge biologisk nedbrydelige materialer i produktionen af ​​tynde barkfilm i stedet for ikke-nedbrydeligt PE, "tilføjer han.

Indtil nu, kun få kemivirksomheder er begyndt at producere og markedsføre de mere miljøvenlige, men også dyrere, PBAT film. Blandt disse er det tyske firma BASF, som understøttede denne undersøgelse. "I sammenligning med den samlede mængde plast, der bringes i omløb, bionedbrydelige muldfilm spiller kun en mindre rolle. Endnu, disse produkter er et vigtigt udgangspunkt for at mindske stress på landbrugsjord og beskytte dem mod plastikophobning på lang sigt, ”Siger Sander.

En yderligere mulighed for at reducere mængden af ​​plast, der kommer ind i landbrugsjord, er at anvende tykkere barkflisfilm, som også bruges i schweizisk landbrug. Disse film kan indsamles igen efter brug og derefter enten genbruges eller bortskaffes via affaldsforbrænding.