I microbi del suolo umwelt und Geomatik

Il nostro mondo sta annegando in una marea di plastica. Ogni anno otto milioni di tonnellate di plastica finiscono negli oceani del mondo. Anche i terreni agricoli non vengono risparmiati. Gli agricoltori di tutto il mondo ricoprono vaste aree di terreno con pellicole pacciamanti in politene (PE) per contenere le erbacce, aumentare la temperatura del suolo e mantenerlo umido. In questo modo, possono aumentare la resa dei raccolti.

Dopo la raccolta, tuttavia, gli agricoltori spesso non riescono a raccogliere completamente queste pellicole, soprattutto se hanno uno spessore di pochi micrometri. Di conseguenza, i residui di pellicole di PE finiscono nel terreno e si accumulano perché non vengono scomposti. Tuttavia, i residui di pellicola riducono la fertilità del suolo, alterano l'equilibrio idrico e limitano la crescita delle colture.

I batteri mineralizzano un polimero alternativo

Gli Studenti del Fare all'ETH di Zurigo e dell'Eawag hanno ora dimostrato in uno studio interdisciplinare che c'è sicuramente da sperare. Nel loro ultimo studio dimostrano che i microbi del suolo sono in grado di degradare pellicole alternative realizzate con la plastica polibutilene adipato tereftalato (PBAT). Il loro lavoro è stato appena pubblicato sulla rivista scientifica pagina esternaAvanzamenti scientifici.

Sotto l'egida di Michael Sander, Kristopher McNeill e Hans-Peter Kohler, il dottorando Michael Zumstein è riuscito a dimostrare che i microrganismi utilizzano il carbonio del polimero sia per il loro metabolismo energetico che per la costruzione della loro biomassa.

"Questo lavoro dimostra per la prima volta in modo diretto che i microrganismi del suolo mineralizzano le pellicole di PBAT nel terreno e trasferiscono il carbonio dal polimero alla loro biomassa", afferma Michael Sander, scienziato senior nel campo della chimica ambientale organica presso il Dipartimento di scienze dei sistemi ambientali dell'ETH di Zurigo.

Come il PE, il PBAT è un polimero a base di petrolio. Poiché il primo è considerato biodegradabile nel compost, i ricercatori dell'ETH e dell'Eawag hanno ora studiato anche la biodegradazione di questo tipo di plastica nel suolo. Il polietilene, invece, non è biodegradabile né nel compost né nel suolo.

Polimero con carbonio ¹³Marchio C

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato un materiale PBAT appositamente fabbricato per questo scopo, prodotto utilizzando una certa quantità di monomeri mescolati con l'isotopo del carbonio stabile e leggermente più pesante. ¹³C sono stati etichettati. Questo isotopo è stato utilizzato dagli scienziati per tracciare il percorso del carbonio del polimero durante la biodegradazione nel suolo.

Quando i microbi del suolo degradano il PBAT, inevitabilmente rilasciano anche il polimero. ¹³Il carbonio C viene rilasciato. Utilizzando strumenti di misura adeguati, questo può essere analizzato sia nei prodotti metabolici come l'anidride carbonica (CO₂) dalla respirazione cellulare dei microbi e nelle strutture cellulari prodotte dagli organismi.

Vera biodegradazione

"L'aspetto elegante di questo studio è che abbiamo utilizzato gli isotopi stabili del carbonio per tracciare con precisione il destino del carbonio del polimero nel suolo", afferma il primo autore Michael Zumstein.

In questo modo, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a fornire una prova scientificamente rigorosa che una plastica può essere efficacemente biodegradata nel suolo. Questo perché non tutti i materiali che in passato sono stati etichettati come "biodegradabili" lo sono effettivamente. "Per biodegradazione intendiamo che i microbi utilizzano tutto il carbonio delle catene polimeriche per generare energia e costruire nuova biomassa, come siamo riusciti a dimostrare per il PBAT", spiega il microbiologo ambientale Hans-Peter Kohler dell'Eawag.

Le plastiche biodegradabili differiscono fondamentalmente da quelle che si decompongono in piccole particelle di plastica nell'ambiente, ad esempio dopo l'esposizione alla luce solare, ma non vengono mineralizzate. "Molti materiali plastici si sbriciolano e i frammenti rimangono nell'ambiente come microplastiche, anche se non possiamo più vederli a occhio nudo", sottolinea Kohler.

Nel loro esperimento, gli scienziati hanno riempito 60 grammi di terreno in bottiglie del volume di un decilitro e hanno collocato il PBAT su supporti di supporto nel materiale del terreno.

Dopo sei settimane, i ricercatori hanno verificato se i microrganismi avessero colonizzato il polimero. Hanno analizzato l'anidride carbonica che usciva dalla bottiglia per verificare la proporzione dell'isotopo di carbonio ¹³C. Insieme ai ricercatori dell'Università di Vienna, hanno determinato l'incorporazione del carbonio del polimero nella biomassa dei microrganismi sulla superficie del polimero.
Troppo presto per il via libera

I ricercatori non sono ancora in grado di prevedere quanto a lungo il PBAT rimarrà nei terreni agricoli. Per studiare la degradazione del film di PBAT in condizioni ambientali, sono necessari studi a lungo termine su terreni diversi e in condizioni diverse sul campo.

"Purtroppo non c'è ancora motivo di festeggiare: non abbiamo risolto il problema ambientale globale dell'inquinamento da plastica", afferma Sander. "Ma abbiamo fatto un primo, importantissimo passo verso la degradabilità della plastica nei terreni".

Tuttavia, mette in guardia da aspettative esagerate riguardo alla biodegradazione della plastica nell'ambiente: "I risultati non possono essere trasferiti direttamente ad altri sistemi ambientali. Ad esempio, la biodegradazione dei polimeri nell'acqua di mare può essere significativamente più lenta, poiché vi prevalgono condizioni diverse e vi vivono microbi diversi".

Creare un nuovo strumento

I ricercatori prevedono che il loro studio attirerà l'attenzione anche dell'industria. "Abbiamo sviluppato un metodo analitico che apre le porte all'industria per la valutazione dell'impatto ambientale dei loro prodotti. Grazie al nostro metodo, potranno iniziare a produrre materiali biodegradabili per le pellicole pacciamanti e sostituire le sottili pellicole in PE", afferma l'ETH e il co-autore Kristopher McNeill.

Finora solo poche aziende chimiche hanno optato per i film PBAT, più ecologici ma un po' più costosi. Una di queste è l'azienda chimica tedesca BASF, che ha sostenuto questo studio. "Rispetto alla quantità totale di plastica in circolazione, le pellicole pacciamanti biodegradabili hanno finora svolto un ruolo ridotto. Ma questi prodotti sono un inizio importante, perché possono alleggerire i terreni agricoli e proteggerli dall'accumulo di plastica a lungo termine", afferma Sander.

Un altro modo per ridurre l'immissione di plastica nel suolo è quello di utilizzare pellicole pacciamanti più spesse, come quelle utilizzate nell'agricoltura svizzera. Queste possono essere raccolte dopo l'uso, riutilizzate o smaltite nell'inceneritore dei rifiuti.