Наш мир тонет в потоке пластика. Ежегодно в океаны попадает восемь миллионов тонн пластика. Сельскохозяйственным почвам также угрожает пластиковое загрязнение. Фермеры по всему миру наносят на почву огромное количество мульчирующих пленок из полиэтилена (ПЭ) для борьбы с сорняками, повышения температуры почвы и поддержания ее во влажном состоянии, тем самым повышая общую урожайность.
После сбора урожая фермеры часто не могут повторно собрать всю пленку, особенно когда толщина пленки составляет всего несколько микрометров. Затем обломки пленки попадают в почву и со временем накапливаются в почве, поскольку полиэтилен не подвергается биологическому разложению. Остатки пленки в почве снижают плодородие почвы, мешают переносу воды и замедляют рост сельскохозяйственных культур.
Почвенные микробы минерализуют пленки из альтернативного полимера
Исследователи из ETH Zurich и Швейцарского федерального института водных наук и технологий (Eawag) в междисциплинарном исследовании показали, что есть основания для надежды. В своем недавнем исследовании они продемонстрировали, что почвенные микробы разлагают пленки, состоящие из альтернативного полимера поли(бутиленадипат-ко-терефталат) (PBAT). Их работа только что была опубликована в журнале Science Advances.
В исследовательском проекте, координируемом Майклом Сандером, Кристофером Макнейлом и Хансом-Питером Колером, бывшему докторанту ETH Майклу Цумштейну удалось продемонстрировать, что почвенные микроорганизмы метаболически используют углерод в полимере PBAT как для производства энергии, так и для строительства. до микробной биомассы.
«Это исследование впервые прямо демонстрирует, что почвенные микроорганизмы минерализуют пленки PBAT в почве и переносят углерод из полимера в свою биомассу», - говорит Майкл Сандер, старший научный сотрудник группы химии окружающей среды в Департаменте Наука об окружающей среде в ETH Zurich.
Как и PE, PBAT представляет собой полимер на нефтяной основе, который используется для изготовления различных продуктов, в том числе мульчирующих пленок. Поскольку PBAT уже был классифицирован как биоразлагаемый в компосте, исследователи ETH и Eawag стремились оценить, разлагается ли PBAT также и в сельскохозяйственных почвах. Для сравнения, полиэтилен не разлагается в компосте или в почве.
Маркировка полимера углеродом-13
В своих экспериментах исследователи использовали материал PBAT, который был специально синтезирован из мономеров и содержал определенное количество стабильного изотопа углерода-13. Эта изотопная метка позволила ученым отслеживать углерод, полученный из полимера, по различным путям биодеградации в почве.
При биоразложении PBAT почвенные микроорганизмы высвобождали углерод-13 из полимера.
Используя чувствительное к изотопам аналитическое оборудование, исследователи обнаружили, что углерод-13 из PBAT не только превращается в углекислый газ (CO2) в результате микробного дыхания, но и также включены в состав биомассы микроорганизмов, колонизирующих поверхность полимера.
Настоящая биодеградация
«Прелесть нашего исследования в том, что мы использовали стабильные изотопы, чтобы точно отслеживать углерод, полученный из PBAT, по различным путям биодеградации полимера в почве», - говорит Майкл Цумштейн.
Исследователи первыми успешно продемонстрировали - с высокой научной точностью - что пластиковый материал эффективно разлагается в почве.
Потому что не все материалы, которые в прошлом были помечены как «биоразлагаемые», действительно соответствовали необходимым критериям. «По определению, биодеградация требует, чтобы микробы метаболически использовали весь углерод в полимерных цепях для производства энергии и образования биомассы - как мы сейчас продемонстрировали для PBAT», - говорит Ханс-Петер Колер, микробиолог-эколог из Eawag.
В определении подчеркивается, что биоразлагаемые пластики коренным образом отличаются от тех, которые просто распадаются на крошечные пластиковые частицы, например, после воздействия на пластик солнечного света, но не минерализуются.«Многие пластиковые материалы просто рассыпаются на крошечные фрагменты, которые сохраняются в окружающей среде в виде микропластика, даже если этот пластик невидим невооруженным глазом», - говорит Колер.
В своем эксперименте исследователи поместили 60 граммов почвы в стеклянные бутылки объемом 0,1 литра каждая, а затем поместили пленки PBAT на твердую основу в почву.
После шести недель инкубации ученые оценили степень, в которой почвенные микроорганизмы колонизировали поверхности PBAT. Далее они подсчитали количество CO2, которое образовалось в инкубационных сосудах, и сколько изотопа углерода-13 содержалось в CO2. Наконец, чтобы напрямую продемонстрировать включение углерода из полимера в биомассу микроорганизмов на поверхности полимера, они сотрудничали с исследователями из Венского университета..
На данном этапе исследователи еще не могут с уверенностью сказать, в течение какого времени PBAT разлагается в почвах в естественной среде, учитывая, что они проводили свои эксперименты в лаборатории, а не в полевых условиях. В настоящее время необходимы более длительные исследования в различных почвах и в различных условиях в полевых условиях для оценки биодеградации пленок PBAT в реальных условиях окружающей среды.
Слишком рано для полной ясности
«К сожалению, пока нет причин для радости: мы все еще далеки от решения глобальной экологической проблемы пластикового загрязнения, - говорит Сандер, - но мы сделали очень важный первый шаг в направление биоразлагаемости пластика в почве."
В то же время он предостерегает от нереалистичных ожиданий биоразлагаемых пластиков в окружающей среде: «Как мы продемонстрировали, у наших почв есть надежда в виде биоразлагаемых полимеров. могут быть непосредственно перенесены в другие природные среды. Например, биодеградация полимеров в морской воде может быть значительно медленнее, потому что там другие условия и микробные сообщества."
Создан новый инструмент
Исследователи ожидают, что их исследование будет замечено промышленностью. «Мы разработали методы анализа, которые открывают перед промышленностью двери для проверки воздействия их пластиковых изделий на окружающую среду», - говорит соавтор Кристофер Макнил. «Благодаря нашему методу они могут перейти на использование биоразлагаемых материалов при производстве тонких мульчирующих пленок вместо неразлагаемого полиэтилена», - добавляет он.
На данный момент лишь несколько химических компаний начали производить и продавать более экологичные, но и более дорогие пленки PBAT. Среди них немецкая компания BASF, которая поддержала это исследование. «По сравнению с общим объемом пластика, поступающего в оборот, биоразлагаемые мульчирующие пленки играют лишь незначительную роль. Тем не менее, эти продукты являются важной отправной точкой для снижения нагрузки на сельскохозяйственные почвы и защиты их от накопления пластика в долгосрочной перспективе», - говорит Сандер.
Дополнительным вариантом сокращения объема пластика, попадающего в сельскохозяйственные почвы, является использование более толстых мульчирующих пленок, которые также используются в швейцарском сельском хозяйстве. Эти пленки могут быть повторно собраны после использования, а затем использованы повторно или утилизированы путем сжигания отходов.