Il mondo sta annegando in una marea di plastica. Otto milioni di tonnellate di plastica finiscono negli oceani ogni anno. Anche i suoli agricoli sono minacciati dall'inquinamento da plastica. Gli agricoltori di tutto il mondo applicano enormi quantità di film di pacciamatura in polietilene (PE) sui terreni per combattere le erbacce, aumentare la temperatura del suolo e mantenere il terreno umido, aumentando così i raccolti complessivi.

Dopo il raccolto, spesso è impossibile per gli agricoltori ricostruire interi film, soprattutto quando sono sottili solo pochi micrometri. I detriti del film si fanno strada nel terreno e si accumulano nel terreno nel tempo, perché il PE non si biodegrada. I residui di film nei suoli riducono la fertilità del suolo, interferire con il trasporto dell'acqua e diminuire la crescita delle colture.

I microbi del suolo mineralizzano film composti da polimeri alternativi

I ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto federale svizzero di scienza e tecnologia acquatica (Eawag) hanno ora dimostrato in uno studio interdisciplinare che c'è motivo di sperare. Nel loro recente studio, dimostrano che i microbi del suolo degradano i film composti dal polimero alternativo poli(butilene adipato-co-tereftalato) (PBAT). Il loro lavoro è stato appena pubblicato sulla rivista Progressi scientifici .

Nel progetto di ricerca coordinato da Michael Sander, Kristopher McNeill e Hans-Peter Kohler, l'ex studente di dottorato dell'ETH Michael Zumstein è riuscito a dimostrare che i microrganismi del suolo utilizzano metabolicamente il carbonio nel polimero PBAT sia per la produzione di energia che per costruire biomassa microbica.

"Questa ricerca dimostra direttamente, per la prima volta, che i microrganismi del suolo mineralizzino i film di PBAT nei suoli e trasferiscano carbonio dal polimero nella loro biomassa, "dice Michael Sander, Senior Scientist nel Environmental Chemistry Group presso il Dipartimento di Scienze dei Sistemi Ambientali dell'ETH di Zurigo.

come PE, PBAT è un polimero a base di petrolio che viene utilizzato per realizzare vari prodotti, compresi i film di pacciamatura. Poiché il PBAT era già classificato come biodegradabile nel compost, i ricercatori dell'ETH e dell'Eawag miravano a valutare se il PBAT si biodegrada anche nei suoli agricoli. A confronto, Il PE non si biodegrada nel compost o nel suolo.

Etichettatura del polimero con carbonio-13

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato materiale PBAT che è stato sintetizzato su misura da monomeri per contenere una quantità definita dell'isotopo stabile carbonio-13. Questa etichetta isotopica ha consentito agli scienziati di tracciare il carbonio derivato dal polimero lungo diversi percorsi di biodegradazione nel suolo.

Dopo la biodegradazione del PBAT, i microrganismi del suolo hanno liberato carbonio-13 dal polimero.

Utilizzando apparecchiature analitiche sensibili agli isotopi, i ricercatori hanno scoperto che il carbonio-13 del PBAT non è stato solo convertito in anidride carbonica (CO2) a seguito della respirazione microbica, ma è stato anche incorporato nella biomassa dei microrganismi che colonizzano la superficie del polimero.

Vera biodegradazione

"La bellezza del nostro studio è che abbiamo utilizzato isotopi stabili per tracciare con precisione il carbonio derivato da PBAT lungo diversi percorsi di biodegradazione del polimero nel suolo, "dice Michael Zumstein.

I ricercatori sono i primi a dimostrare con successo, con elevato rigore scientifico, che un materiale plastico è efficacemente biodegradato nel suolo. Non tutti i materiali che in passato erano etichettati come "biodegradabili" soddisfacevano realmente i criteri necessari. "Per definizione, la biodegradazione richiede che i microbi utilizzino metabolicamente tutto il carbonio nelle catene polimeriche per la produzione di energia e la formazione di biomassa, come ora abbiamo dimostrato per PBAT, "dice Hans-Peter Kohler, microbiologo ambientale presso Eawag.

La definizione evidenzia che le plastiche biodegradabili differiscono fondamentalmente da quelle che si disintegrano semplicemente in minuscole particelle di plastica, ad esempio dopo l'esposizione della plastica alla luce solare, ma che non mineralizzano. "Molti materiali plastici si sgretolano semplicemente in minuscoli frammenti che persistono nell'ambiente come microplastiche, anche se questa plastica è invisibile ad occhio nudo, " dice Kohler.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno messo 60 grammi di terreno in bottiglie di vetro ciascuna con un volume di 0,1 litri e successivamente hanno inserito i film di PBAT su un supporto solido nel terreno.

Dopo sei settimane di incubazione, gli scienziati hanno valutato la misura in cui i microrganismi del suolo avevano colonizzato le superfici del PBAT. Hanno inoltre quantificato la quantità di CO2 che si è formata nei flaconi di incubazione e la quantità di isotopo di carbonio-13 contenuta nella CO2. Finalmente, dimostrare direttamente l'incorporazione di carbonio dal polimero nella biomassa di microrganismi sulle superfici del polimero, hanno collaborato con ricercatori dell'Università di Vienna.

In questa fase, i ricercatori non possono ancora dire con certezza in quale periodo di tempo il PBAT si degrada nei suoli nell'ambiente naturale dato che hanno condotto i loro esperimenti in laboratorio, non in campo. Sono ora necessari studi a più lungo termine in diversi terreni e in varie condizioni sul campo per valutare la biodegradazione dei film PBAT in condizioni ambientali reali.

Troppo presto per il via libera

"Sfortunatamente, non c'è ancora motivo di esultare:siamo ancora lontani dal risolvere il problema ambientale globale dell'inquinamento da plastica, "dice Sandro, "ma abbiamo fatto un primo passo molto importante nella direzione della biodegradabilità della plastica nel suolo".

Allo stesso tempo, mette in guardia contro le aspettative irrealistiche per la plastica biodegradabile nell'ambiente:"Come abbiamo dimostrato, c'è speranza per i nostri terreni sotto forma di polimeri biodegradabili. I risultati dei suoli dovrebbero, però, non essere trasferito direttamente in altri ambienti naturali. Ad esempio, la biodegradazione dei polimeri nell'acqua di mare potrebbe essere notevolmente più lenta, perché lì le condizioni sono diverse e così anche le comunità microbiche».

Nuovo strumento creato

I ricercatori prevedono che il loro studio sarà notato dall'industria. "Abbiamo sviluppato tecniche di analisi che aprono la porta all'industria per testare l'impatto ambientale dei loro prodotti in plastica, ", afferma il co-autore Kristopher McNeill. "Grazie al nostro metodo, possono passare all'utilizzo di materiali biodegradabili nella produzione di film sottili di pacciamatura invece del PE non degradabile, " Aggiunge.

Finora, solo poche aziende chimiche hanno iniziato a produrre e commercializzare i prodotti più ecologici, ma anche più costoso, film PBAT. Tra questi c'è la società tedesca BASF, che ha sostenuto questo studio. "Rispetto al volume totale di plastica che viene messo in circolazione, i film di pacciamatura biodegradabili svolgono solo un ruolo secondario. Ancora, questi prodotti sono un importante punto di partenza per diminuire lo stress sui terreni agricoli e proteggerli dall'accumulo di plastica a lungo termine, "dice Sandro.

Un'ulteriore opzione per ridurre il volume di plastica che entra nei terreni agricoli consiste nell'utilizzare film di pacciamatura più spessi, utilizzati anche nell'agricoltura svizzera. Questi film possono essere raccolti nuovamente dopo l'uso e quindi riutilizzati o smaltiti tramite incenerimento dei rifiuti.