Biodegradability in soil determination and fate of some emerging biodegradable materials for agricultural mulching

Abstract

The purpose of this PhD thesis was to evaluate the biodegradability potential and ecotoxicological effects of several biodegradable plastics for agricultural use under controlled laboratory conditions in soil. In this study, commercial and still in experimental stage biodegradable plastic films were chosen: Mater-Bi® (corn starch), Bio-Flex® (polylactic acid), Biofilm® (cereal flour), Bioplast® (potato starch), MirelTM (polyhydroxyalcanoates) Ecovio® and Bionelle®. In addition, a sheet commercially known as MimGreen® paper was evaluated. Initially, a gravimetric and FTIR analyses were carried out to determine changes in both weight loss and molecular changes in the plastics respectively. A second experiment consisted in assessing the biodegradability of the materials by designing and building a respirometric system. This system allowed me to measure, with a higher sensitive, the biodegradation process of the materials under laboratory conditions in soil. In addition, I compared the biodegradability of these materials with the remains of a typical crop used for mulch application, tomato (Lycopersicum esculentum). Finally, the ecotoxicological effects of biodegradable films on Zea mays plants, earthworms Eisenia fetida and microbial soil activity were evaluated using the standardised regulations or existing methods. Thus, I was able to prove ecological advantages of these materials.

El propòsit d'aquesta tesi doctoral ha estat valorar el potencial de biodegradabilitat i efectes ecotòxics de diferents plàstics biodegradables per a ús agrícola sota condicions controlades al laboratori. En l'estudi es van triar set films plàstics biodegradables de diferent composició química, tant comercial com encara en fase experimental: Mater-Bi® (midó de blat de moro), Bio-Flex® (àcid polilàctic), Biofilm® (farina de cereals), Bioplast® (midó de patates), MirelTM (polihidroxialcanoatos), Ecovio® i Bionelle®, a més d'una làmina de paper (Mimgreen®). Es van realitzar dos experiments. El primer concistía en realitzar un estudi gravimètric per mesurar el grau de degradació dels plàstics mitjançant la pèrdua de pes, a més es va dur a terme un anàlisi espectroscòpic FTIR, que va permetre discernir els canvis en els entorns moleculars que faciliten o dificulten el procés de biodegradació dels materials. El segon experiment va consistir a valorar la biodegradabilitat dels materials mitjançant el disseny i construcció d'un sistema respiromètric, que va permetre mesurar amb major sensibilitat el grau de biodegradació dels materials seleccionats sota condicions de laboratori en sòl. Addicionalment es va comparar la biodegradabilitat dels materials provats amb restes d'un cultiu típic d'ús de encoixinat com és el cas del tomàquet (Lycopersicum esculentum). Finalment, es van investigar els efectes ecotòxics dels films biodegradables sobre plantes de Zea mays, cucs Eisenia fetida i l'activitat microbial del sòl, els assaigs van ser realitzats a partir de les normatives o mètodes estandarditzats vigents el que va permetre comprovar els avantatges ecològics d'aquests materials.

El propósito de la presente Tesis Doctoral ha sido valorar el potencial de biodegradabilidad y efectos ecotóxicos de diferentes plásticos biodegradables para uso agrícola bajo condiciones controladas de laboratorio en suelo. En el estudio se eligieron siete films plásticos biodegradables de diferente composición química tanto comercial como aún en fase experimental: Mater-Bi® (almidón de maíz), Bio-Flex®(ácido poliláctico), Biofilm® (harina de cereales), Bioplast® (almidón de patatas), MirelTM(polihidroxialcanoatos), Ecovio® y Bionelle®; además de una lámina para acolchado con el nombre de papel Mimgreen®. Como primer paso diferentes ensayos fueron realizados entre ellos uno gravimétrico para medir la pérdida de peso de los materiales y otro mediante análisis espectroscópico FTIR, lo que permitió discernir los cambios en los entornos moleculares que facilitan o dificultan el proceso de biodegradación de los materiales. El segundo experimento consistió en valorar la biodegradabilidad de los materiales mediante el diseño y construcción de un sistema respirométrico que permitió medir con mayor sensibilidad el grado de biodegradación de los materiales seleccionados bajo condiciones de laboratorio en suelo. Adicionalmente se comparó la biodegradabilidad de los materiales probados con restos de un cultivo típico de uso de acolchado como es el caso del tomate (Lycopersicum esculentum). Finalmente, se investigaron los efectos ecotóxicos de los films biodegradables sobre plantas de Zea mays, lombrices Eisenia fetida y la actividad microbial del suelo; los ensayos fueron realizados a partir de las normativas o métodos estandarizados vigentes lo que permitió comprobar las ventajas ecológicas de estos materiales.