La agricultura moderna usa mucho plástico, especialmente en forma de película de mantillo que los agricultores usan para cubrir los suelos del campo. Esto mantiene los suelos húmedos para los cultivos, suprime las malas hierbas y promueve el crecimiento de los cultivos.

Sin embargo, por lo general es muy lento y costoso para los agricultores recolectar y desechar la película de polietileno (PE) convencional después de su uso. Además, no es posible volver a recolectar todas las películas finas de PE, ya que se rompen con facilidad. Esto significa que las piezas de PE permanecen sobre y en el suelo y se acumulan allí, porque el PE no se degrada.

La película de mantillo biodegradable es una alternativa prometedora porque, a diferencia de la película de PE, idealmente no deja ningún componente polimérico en el entorno del suelo. Los polímeros biodegradables que contiene están diseñados deliberadamente para que los microorganismos puedan usarlos para generar energía y construir biomasa celular. Los polímeros biodegradables tienen « puntos de ruptura » químicos previstos en su estructura principal. Los microorganismos naturales, como los que se encuentran en el suelo, pueden liberar enzimas en su entorno que atacan estos puntos en los polímeros y los descomponen. Los pequeños productos de degradación liberados luego son absorbidos por los microbios y finalmente respirados para formar el producto final, CO2.

Es por eso que probar la formación de CO2 a partir de polímero de carbono es crucial para la biodegradación. También porque además de los plásticos verdaderamente biodegradables, existen los que están falsamente etiquetados a base de PE que contienen aditivos específicos. Estas películas se descomponen solo en microplásticos muy pequeños que ya no son visibles a simple vista. Y como estos no son degradados por microorganismos, se acumulan en el medio ambiente.

El nuevo enfoque captura todos los aspectos de la biodegradación

Hasta ahora, con los métodos existentes, no ha sido posible seguir el proceso de biodegradación de polímeros en su totalidad. Pero en los últimos años, el Grupo de Química Ambiental de ETH Zurich ha desarrollado un nuevo enfoque para rastrear y medir si un polímero se biodegrada en un suelo y en qué medida. Sus hallazgos acaban de publicarse en NatureCommunications.

Estos resultados podrían cambiar la forma en que se estudia la biodegradación de polímeros en el futuro. El proyecto también involucró a investigadores del departamento de Ciencias de la Tierra de la ETH y de Eawag, además de empleados de la empresa química BASF.

Este nuevo enfoque se basa en el uso de polímeros marcados con isótopos estables de carbono (13C). Este etiquetado permite a los investigadores realizar un seguimiento selectivo del 13C del polímero durante la biodegradación en el suelo, de modo que puedan demostrar inequívocamente que la biodegradación sí se está produciendo. Hasta ahora, la biodegradabilidad del plástico se había probado solo con polímeros no etiquetados isotópicamente. Un polímero (o un material plástico que consta de uno o más polímeros) se certifica como biodegradable si la fracción de carbono polimérico añadido que se convierte en CO2 supera un nivel predefinido durante un período de incubación específico. El estándar para la película de mantillo biodegradable, por ejemplo, requiere incubaciones de suelo de dos años en las que al menos el 90 por ciento del carbono de la película de mantillo se « mineraliza » en CO2.

Estos métodos de prueba están bien establecidos como un medio adecuado para detectar la mineralización de polímeros. Sin embargo, no capturan el alcance total de la biodegradación, ya que solo miden la formación de CO2. En consecuencia, los investigadores que utilizan los métodos estándar actuales no han podido detectar la cantidad de polímero de carbono que queda en el suelo al final de un período de incubación. Además, no estaba claro si este carbono remanente todavía estaba presente en forma de polímero agregado o si los microorganismos ya lo habían incorporado a su biomasa.

Balances cerrados de masa de carbono

El enfoque desarrollado por los investigadores de ETH y sus colegas elimina estas ambigüedades. En sus pruebas, utilizaron succinato de polibutileno marcado con 13C, o PBS, un poliéster biodegradable comercialmente importante que también se usa en películas de mantillo.

Los investigadores ahora pudieron rastrear selectivamente el 13C en el PBS durante la biodegradación : además de determinar la mineralización a 13CO2, los autores demostraron balances de masa completos para el carbono del PBS al cuantificar la cantidad residual de 13C derivado de PBS que permaneció en el suelo. después de la incubación.

« Fue gratificante para nosotros ver balances de masa de carbono cerrados durante los 425 días de incubación del suelo. Esto demostró que podemos determinar con precisión dónde termina el carbono polimérico : aproximadamente dos tercios en CO2 y un tercio en el suelo. – durante estos largos períodos de incubación », explica el autor principal del estudio, Taylor Nelson, quien obtuvo su doctorado en el Grupo de Química Ambiental.

Los investigadores también querían saber en qué forma el carbono agregado como PBS permanecía en el suelo. ¿Cuánto se incorporó a la biomasa microbiana y cuánto estaba todavía presente como PBS residual?

Para responder a esta pregunta, los autores extrajeron y cuantificaron el PBS residual del suelo al final de las incubaciones. Pudieron demostrar que, si bien la mayor parte del carbono todavía estaba presente como PBS, una cantidad significativa, el 7 por ciento, del carbono PBS agregado se había incorporado a la biomasa microbiana.

La capacidad de determinar exactamente cuánto polímero queda y cuánto carbono de polímero se ha incorporado a la biomasa es esencial para futuros estudios y para el desarrollo de nuevos polímeros biodegradables. « Ahora podemos probar sistemáticamente las condiciones del suelo y las propiedades de los polímeros que permiten la biodegradación completa de los polímeros a CO2 y a la biomasa microbiana, y podemos evaluar los factores que pueden ralentizar la biodegradación de los polímeros con el tiempo », explica Michael Sander, profesor de la Grupo de Química Ambiental de la ETH.

Este trabajo ya está en marcha : utilizando el nuevo enfoque, el grupo está investigando actualmente la biodegradación de otros polímeros en varios suelos agrícolas, incluso en el campo. « De esta manera, queremos asegurarnos de que los polímeros biodegradables hagan honor a su nombre y no permanezcan en el medio ambiente », dice Kristopher McNeill, profesor de química ambiental en ETH Zurich y director de un subgrupo de investigación del mismo nombre.

« Reemplazar los polímeros convencionales por biodegradables puede ayudar a reducir la contaminación plástica, especialmente para aplicaciones en las que los polímeros se usan directamente en el medio ambiente, por lo que existe una alta probabilidad de que los polímeros permanezcan allí después de su uso », señala Sander.