Come si biodegrada davvero la plastica
I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un metodo con il quale possono registrare con precisione e tracciare in modo completo la biodegradazione della plastica nel suolo.
L'agricoltura moderna utilizza molta plastica, soprattutto nelle pellicole pacciamanti che gli agricoltori usano per coprire il terreno. In questo modo si proteggono le colture dall'essiccazione, si sopprime la crescita delle erbe infestanti e si favorisce la crescita dei raccolti.
Tuttavia, per gli agricoltori raccogliere e smaltire le pellicole di polietilene convenzionali (PE) è solitamente molto dispendioso in termini di tempo e denaro. Inoltre, non è possibile raccogliere completamente le sottili pellicole di PE perché si strappano facilmente: Il PE rimane quindi sul e nel terreno e vi si accumula, poiché non si degrada.
I film pacciamanti biodegradabili rappresentano quindi un'alternativa perché, a differenza dei film in PE, non rimangono componenti polimerici nell'ambiente. I polimeri biodegradabili sono progettati deliberatamente in modo che i microrganismi possano utilizzarli per generare energia e accumulare massa cellulare. Tali polimeri hanno "punti di rottura" chimici predeterminati nella loro struttura. I microrganismi presenti in natura, ad esempio nel suolo, possono rilasciare enzimi nel loro ambiente e quindi attaccare e rompere questi punti di rottura nei polimeri. I frammenti rilasciati vengono poi assorbiti dai microbi e diventano il prodotto finale CO2 respirato.
La prova che la CO2 È quindi molto importante poter determinare la quantità di carbonio che si forma durante la biodegradazione, perché oltre alle plastiche effettivamente biodegradabili, esistono anche plastiche a base di PE che, grazie ad alcuni additivi, si decompongono solo in microplastiche molto piccole e non più visibili a occhio nudo. Queste non vengono degradate dai microrganismi e si accumulano nell'ambiente.
Un nuovo approccio copre completamente la biodegradazione
Finora non è stato possibile rilevare e registrare completamente la biodegradazione dei polimeri con i metodi esistenti. Negli ultimi anni, il Gruppo di Chimica Ambientale dell'ETH di Zurigo ha sviluppato un nuovo approccio per tracciare e misurare se e in che misura un polimero viene biodegradato nel suolo. I risultati di questo lavoro sono stati appena pubblicati sulla rivista Nature Communications.
I risultati potrebbero cambiare il modo in cui la biodegradazione dei polimeri viene studiata in futuro. Allo studio hanno partecipato ricercatori del Dipartimento di Scienze Terrestri dell'ETH, dell'Eawag e collaboratori dell'azienda chimica BASF.
L'approccio si basa sul fatto che i polimeri con isotopi stabili del carbonio (13C-) possono essere contrassegnati. Questo permette ai ricercatori di 13I ricercatori sono riusciti a tracciare in modo specifico e selettivo il carbonio C del polimero durante la biodegradazione nel terreno, dimostrando così chiaramente che la biodegradazione ha effettivamente luogo.
Finora, per testare la biodegradabilità delle materie plastiche sono stati utilizzati solo polimeri non marcati con isotopi. Un polimero (o un materiale plastico costituito da uno o più polimeri) è certificato come biodegradabile se, durante un periodo di incubazione definito, una quantità minima di carbonio del polimero viene convertita in CO2 viene convertito. Lo standard per i film pacciamanti biodegradabili, ad esempio, richiede un'incubazione del terreno in cui almeno il 90% del carbonio del film pacciamante viene convertito in CO2 è "mineralizzato".
Questi metodi di prova sono ormai consolidati e utili per rilevare la mineralizzazione dei polimeri. Tuttavia, non catturano l'intera biodegradazione, poiché solo la CO2-formazione viene misurata. I ricercatori non sono stati in grado di determinare la quantità di carbonio polimerico rimasto nel suolo alla fine del periodo di incubazione utilizzando i precedenti metodi standard. Inoltre, non era chiaro se il carbonio rimanente fosse ancora presente sotto forma di polimero o se i microrganismi lo avessero già incorporato nella loro biomassa.
Creazione di bilanci di massa chiusi
L'approccio sviluppato dai ricercatori dell'ETH e dai loro colleghi elimina queste ambiguità. Nei loro test hanno utilizzato 13Polibutilene succinato (PBS) marcato C. Il PBS è un poliestere biodegradabile importante dal punto di vista commerciale, utilizzato anche per le pellicole pacciamanti.
I ricercatori sono ora in grado di tracciare selettivamente l'isotopo del carbonio nel PBS durante la biodegradazione: Oltre a determinare la mineralizzazione a 13CO2 gli autori sono stati in grado di creare bilanci di massa completi per il carbonio PBS calcolando la quantità residua di carbonio derivato dal PBS che rimane nel suolo dopo le incubazioni. 13C certo.
"È stato gratificante per noi vedere bilanci di massa del carbonio chiusi durante i 425 giorni di incubazione del suolo. Questo ha dimostrato che possiamo determinare esattamente dove finisce il carbonio del polimero: circa due terzi nella CO2 e un terzo nel suolo, e questo per periodi di incubazione molto lunghi", spiega il primo autore dello studio, Taylor Nelson, che ha conseguito il dottorato nel gruppo di chimica ambientale.
"Ora possiamo verificare sistematicamente quali condizioni del suolo e quali proprietà del polimero consentono la completa biodegradazione dei polimeri in CO2 e alla biomassa microbica".Michael Sander
I ricercatori volevano anche sapere in quale forma il carbonio aggiunto dal PBS rimane nel suolo, cioè quanto è stato incorporato nella biomassa microbica e quanto è ancora presente come PBS residuo.
Per rispondere a questa domanda, gli autori hanno estratto e determinato il PBS rimanente dal terreno. Ciò ha dimostrato che, sebbene la maggior parte del carbonio fosse ancora presente sotto forma di PBS, una percentuale considerevole, pari al sette per cento del carbonio PBS aggiunto, era anche incorporata nella biomassa microbica.
La capacità di determinare esattamente la quantità di polimero rimasto e la quantità di carbonio polimerico incorporato nella biomassa è essenziale per gli studi futuri e per lo sviluppo di nuovi polimeri biodegradabili: "Ora possiamo testare sistematicamente quali condizioni del suolo e quali proprietà del polimero consentono la completa biodegradazione dei polimeri in CO2 e alla biomassa microbica - e possiamo valutare i fattori che possono rallentare la biodegradazione dei polimeri nel tempo", spiega Michael Sander, l'ETH professor del gruppo di chimica ambientale.
Ridurre l'inquinamento da plastica
Questo lavoro è già in corso: il gruppo sta attualmente utilizzando il nuovo approccio per studiare la biodegradazione di altri polimeri in vari terreni agricoli, anche in campo. "Vogliamo garantire che i polimeri biodegradabili siano all'altezza del loro nome e non rimangano nell'ambiente", afferma Kristopher McNeill, professore di chimica ambientale all'ETH di Zurigo e responsabile dell'omonimo gruppo di ricerca.
"La sostituzione dei polimeri convenzionali con polimeri biodegradabili può contribuire a ridurre l'inquinamento da plastica, soprattutto per le applicazioni in cui i polimeri sono utilizzati direttamente nell'ambiente e vi è un'alta probabilità che i polimeri vi rimangano dopo l'uso", sottolinea Sander.
Letteratura di riferimento
Nelson TF, Baumgartner R, Jaggi M et al. Biodegradazione del poli(butilene succinato) in incubazioni di laboratorio nel suolo valutata mediante etichettatura con isotopi stabili del carbonio. Nat Commun 13, 5691 (2022). lato esternodoi: 10.1038/s41467-022-33064-8