Современное сельское хозяйство использует много пластика, особенно в виде мульчирующей пленки, которую фермеры используют для покрытия полевых почв. Это сохраняет почву влажной для сельскохозяйственных культур, подавляет сорняки и способствует росту культур.

Однако сбор и утилизация обычной полиэтиленовой (ПЭ) пленки после использования обычно требует много времени и средств для фермеров. Кроме того, повторно собрать все тонкие полиэтиленовые пленки невозможно, так как они легко рвутся. Это означает, что кусочки полиэтилена остаются на почве и в ней и накапливаются там, потому что полиэтилен не разлагается.

Биоразлагаемая мульчирующая пленка является многообещающей альтернативой, поскольку, в отличие от полиэтиленовой пленки, она в идеале не оставляет никаких полимерных компонентов в почвенной среде. Содержащиеся в нем биоразлагаемые полимеры специально разработаны таким образом, чтобы микроорганизмы могли использовать их для выработки энергии и наращивания клеточной биомассы. Биоразлагаемые полимеры имеют предполагаемые химические «точки разрыва» в своей основной структуре. Встречающиеся в природе микроорганизмы, такие как находящиеся в почве, могут выделять в окружающую среду ферменты, которые атакуют эти точки в полимерах и разрушают их. Высвобожденные небольшие продукты разложения затем поглощаются микробами и в конечном итоге выдыхаются с образованием конечного продукта, CO ₂ .

Вот почему доказательство образования CO ₂ из полимерного углерода имеет решающее значение для биодеградации. Еще и потому, что помимо действительно биоразлагаемых пластиков существуют ложномаркированные пластики на основе ПЭ, содержащие специфические добавки. Эти пленки распадаются только на очень мелкие частицы микропластика, которые больше не видны невооруженным глазом. И поскольку они не разлагаются микроорганизмами, они накапливаются в окружающей среде.

Новый подход охватывает все аспекты биодеградации

До сих пор на основе существующих методов не удавалось полностью проследить процесс биодеградации полимера. Но за последние несколько лет группа по химии окружающей среды в ETH Zurich разработала новый подход к отслеживанию и измерению того, разлагается ли полимер в почве и в какой степени. Их результаты только что были опубликованы в Nature Communications .

Эти результаты могут изменить способ изучения биодеградации полимеров в будущем. В проекте также участвовали исследователи из отдела наук о Земле ETH и Eawag, а также сотрудники химической компании BASF.

Этот новый подход основан на использовании полимеров, меченных стабильными изотопами углерода ( ¹³ C). Эта маркировка позволяет исследователям выборочно отслеживать ¹³ С полимера во время биодеградации в почве, чтобы они могли безошибочно продемонстрировать, что биодеградация действительно происходит. До сих пор биоразлагаемость пластика проверялась только на полимерах, не меченных изотопами. Полимер (или пластиковый материал, состоящий из одного или нескольких полимеров) сертифицирован как биоразлагаемый, если доля добавленного полимерного углерода, преобразованного в CO ₂ , превышает заданный уровень в течение определенного инкубационного периода. Например, стандарт для биоразлагаемой мульчирующей пленки требует двухлетней инкубации почвы, при которой не менее 90 процентов углерода мульчирующей пленки «минерализуется» в CO.₂ .

Эти методы испытаний хорошо зарекомендовали себя как подходящие средства для обнаружения минерализации полимеров. Однако они не охватывают полную степень биоразложения, поскольку измеряют только образование CO ₂ . Следовательно, исследователи, использующие современные стандартные методы, не смогли определить количество полимерного углерода, оставшегося в почве в конце инкубационного периода. Кроме того, было неясно, присутствует ли этот оставшийся углерод в виде добавленного полимера или микроорганизмы уже включили его в свою биомассу.

Закрытые балансы углеродной массы

Подход, разработанный исследователями ETH и их коллегами, устраняет эти неясности. В своих тестах они использовали полибутиленсукцинат с маркировкой ^{13 C, или PBS — коммерчески важный биоразлагаемый полиэфир, который также используется в мульчирующих пленках.}

Теперь исследователи смогли выборочно отслеживать ¹³ C в PBS во время биодеградации: в дополнение к определению минерализации до ¹³ CO ₂ , авторы продемонстрировали полный массовый баланс для углерода PBS путем количественного определения остаточного количества ¹³ C, полученного из PBS, который остаются в почве после инкубации.

«Нам было приятно видеть закрытые балансы массы углерода за 425 дней инкубации в почве. Это показало, что мы можем точно определить, где заканчивается полимерный углерод — около двух третей в CO ₂ и одна треть в почве . — в течение этих очень долгих инкубационных периодов», — объясняет ведущий автор исследования Тейлор Нельсон, получивший докторскую степень в группе по химии окружающей среды.

Исследователи также хотели знать, в какой форме углерод, добавленный в виде PBS, остается в почве. Сколько было включено в микробную биомассу и сколько все еще присутствовало в виде остаточного PBS?

Чтобы ответить на этот вопрос, авторы извлекли и количественно определили остаточный PBS из почвы в конце инкубации. Они смогли показать, что, хотя большая часть углерода все еще присутствует в виде PBS, значительное количество — 7 процентов — добавленного углерода PBS было включено в микробную биомассу.

Возможность точно определить, сколько полимера осталось и сколько полимерного углерода было включено в биомассу, имеет важное значение для будущих исследований и разработки новых биоразлагаемых полимеров. «Теперь мы можем систематически тестировать почвенные условия и свойства полимеров, которые обеспечивают полное биоразложение полимеров до CO ₂ и микробной биомассы, и мы можем оценить факторы, которые могут замедлить биоразложение полимеров с течением времени», — объясняет Майкл Сандер, профессор Группа по химии окружающей среды ETH.

Эта работа уже ведется: используя новый подход, в настоящее время группа исследует биодеградацию дальнейших полимеров в различных сельскохозяйственных почвах, в том числе в полевых условиях. «Таким образом, мы хотим гарантировать, что биоразлагаемые полимеры соответствуют своему названию и не остаются в окружающей среде», — говорит Кристофер Макнил, профессор химии окружающей среды в ETH Zurich и руководитель одноименной исследовательской подгруппы.

«Замена обычных полимеров биоразлагаемыми может помочь уменьшить загрязнение пластиком, особенно в тех случаях, когда полимеры используются непосредственно в окружающей среде, так что существует высокая вероятность того, что полимеры останутся там после использования», — отмечает Сандер.