Are biodegradable biobased plastics a green alternative?

Abstract

Environmental sustainability is driving an intense search for “green materials”. Bio-based and biodegradable plastics have emerged as alternatives that aim to reduce the environmental pressure caused by conventional plastics. However, it remains doubtful whether these alternatives are environmentally friendly when we consider an in situ application without requiring their removal, such as mulch films applied in crops. Do these materials safely biodegrade in situ as expected? In the meantime, do they negatively impact the local fauna? A certified and commercially available biodegradable biofilm was selected as the object of study to answer these questions. Using microplastics from this biofilm, its potential biodegradation and ecotoxicity in agricultural soils were evaluated. For this purpose, the biodegradation tests occurred in the presence of the fungus Penicillium brevicompactum, and the ecotoxicity tests were performed with the earthworm Eisenia andrei, both key organisms (i.e., high ecological relevance and biomass) in these environments. In the biodegradation experiments in soil, the fungus P. brevicompactum interacted with the biofilm, although not so evident on its mass loss. Notwithstanding, the FTIR-ATR analysis suggests affinity between the fungi and the plastic material, with changes in fungi carbohydrate contents, and an apparent increase in low molecular weight esters in microplastics exposed to fungal material suggesting biodegradation. In the ecotoxicity tests, which involved pristine or UV aged microplastics, the results were distinct. The presence of pristine microplastics did not affect E. andrei survival but induced a significant decrease (from 28% to 44%) in the number of juveniles. Aged microplastics did not affect survival or reproduction. The analysis of FTIR-ATR spectra (prior bioassays) from weathered microplastics revealed some chemical changes that might be responsible for the lack of toxicity; whereas the FTIR-ATR spectra from earthworms exposed to pristine microplastics suggests a decline of energy reserves, reflected by a decrease in carbohydrates, lipids and proteins. The biodegradation and ecotoxicity tests required for the certification of bio-based and/or biodegradable plastics still lack ecological relevance since they occur under very different conditions than those found in the natural environment where they will be applied (e.g., high temperature, types of microorganisms). Similarly, the ecotoxicity tests applied aim at assessing preferentially acute effects (e.g., survival), neglecting their chronic effects (reproduction). This project brings new evidence regarding their biodegradation and ecotoxicity in agricultural soils considering ecologically relevant species. Although biodegradation tests with the fungus require further studies, ecotoxicity tests indicate that biofilm microplastics in environmentally relevant scenarios show an absence of acute and chronic toxicity for E. andrei.

A sustentabilidade ambiental está a impulsionar uma intensa busca por “materiais verdes”. Os plásticos de base biológica e biodegradáveis têm surgido como alternativas que visam reduzir a pressão ambiental causada pelos plásticos convencionais. Contudo, permanece duvidoso se estas alterativas são de facto amigas do ambiente, quando consideramos uma aplicação in situ sem requerer a sua remoção; como sejam os filmes aplicados em solos agrícolas. Será que os plásticos de base biológica e biodegradáveis aplicados, por exemplo, na agricultura, sofrem biodegradação in situ como desejado? E durante esse processo, será que afetam negativamente a fauna local? Para responder a estas questões, selecionou-se um biofilme biodegradável, certificado e comercialmente disponível, como objeto de estudo. Usando microplásticos deste biofilme, avaliou-se a sua biodegradação e ecotoxicidade em solos agrícolas. Para este efeito, os testes de biodegradação decorreram na presença do fungo Penicillium brevicompactum e os testes de ecotoxicidade com a minhoca Eisenia andrei, sendo ambos organismos-chave (relevância ecológica e elevada biomassa) nestes solos. Nos ensaios de biodegradação em solo, o fungo P. brevicompactum interagiu com o biofilme, embora não tenha resultado numa evidente perda de massa. Contudo, a análise FTIR-ATR sugere afinidade entre o fungo e o plástico, com variações nas reservas de carbohidratos no fungo e pelo aumento de esteres de baixo peso molecular no biofilme que sugere degradação. Nos testes de ecotoxicidade, que envolveram com microplásticos de biofilme na sua forma pristina ou envelhecida à luz ultravioleta, os resultados foram díspares. A presença de microplásticos pristinos não afetou sobrevivência de E. andrei, mas induziu um decréscimo significativo (de 28% a 44%) no número de juvenis. Já os microplásticos envelhecidos sob luz ultravioleta não afetaram a sobrevivência nem a reprodução. A análise dos espectros de FTIR-ATR nos microplásticos envelhecidos indica ligeiras alterações químicas que poderão ser responsáveis pela perda de toxicidade, enquanto a análise dos espectros de FTIR nos organismos adultos expostos a microplásticos pristinos sugerem alterações fisiológicas a nível das reservas energéticas, com défices aparentes em carbohidratos, proteínas e lípidos. Os testes de biodegradação e ecotoxicidade utilizados na certificação de plásticos de base biológica e/ou biodegradáveis ainda carecem de relevância ecológica, uma vez que decorrem em condições muito distintas aos encontrados no ambiente natural onde se vão aplicar (ex: elevada temperatura, tipos de microorganismos). De igual forma, os testes de ecotoxicidade aplicados visam avaliar preferencialmente os efeitos agudos (ex: sobrevivência), negligenciando os seus efeitos crónicos (reprodução). Este trabalho traz, assim, novas evidências quanto à sua biodegradação e ecotoxicidade em solos agrícolas, considerando organismos ecologicamente relevantes. Ainda assim, embora os testes de biodegradação com o fungo requeiram estudos adicionais, os testes de ecotoxicidade indicam que, em cenários ambientalmente relevantes, os microplásticos de biofilme apresentam ausência de toxicidade aguda e crónica para E. andrei.