Effect of compounds from agricultural biodegradable plastics on the environment and on plant development

Abstract

Els encoixinats plàstics agrícoles són una peça fonamental del sistema agrícola, contribuint a fer front a la demanda d'alimentació de la creixent població mundial. El seu ús incrementa la producció, precocitat i qualitat de les collites, redueix el consum d'aigua i l'aplicació de pesticides i prevé el desenvolupament de males herbes. Els encoixinats són majoritàriament de polietilè (PE), no biodegradables, i encara que s'han de retirar després de la collita, molts fragments romanen en el camp i es van acumulant, disminuint la qualitat del sòl i de les collites. Els encoixinats de plàstic biodegradable (BDM) s'han presentat com una alternativa sostenible que evita aquesta acumulació; després de la collita seran biodegradats pels microorganismes del sòl en el qual s'integren. Tanmateix, això implica l'aportació al sòl dels diversos compostos (polímers i additius) presents en els fragments, dels que a penes s'han estudiat els seus efectes en les plantes conreades i en els organismes del sòl. L'objectiu d'aquesta tesi és avaluar l'efecte que tenen vuit BDM de diferent formulació i els seus components en el microbioma del sòl agrícola i en plantes conreades. Per a això es van triar dues espècies comunament conreades amb encoixinats que estan entre els principals productes hortícoles a nivell mundial, l’enciam (Lactuca sativa L.) i el tomàquet (Lycopersicon esculetum Mill.). Com a control es va incloure un encoixinat de PE. En primer lloc, es va avaluar si els BDM poden alliberar compostos per contacte amb un mitjà aquós abans d'iniciar la seva biodegradació, i si els compostos alliberats poden afectar el desenvolupament de les plantes. Es va trobar que tots els BDM assajats van alliberar una diversitat de compostos, que en diversos casos (Bioplast SP4 i SP6, Mirel i Biofilm) van afectar negativament la germinació, la morfologia de les arrels o el desenvolupament i fisiologia de totes dues espècies, mentre que els altres BDM van causar efectes menors (Ecovio, Mater-Bi) o no significatius (Bioflex). A continuació, es van identificar els compostos alliberats, que van resultar ser diversos, tant components de la seva estructura polimèrica (1,4-butanediol, àcid làctic, àcid tereftàlic, etc.) com a additius (àcids grassos, glicerol, etc.). D'entre els identificats es va quantificar principalment els que anteriorment havien mostrat afectar el desenvolupament de plantes de tomàquet i d'enciam (1,4-butanediol, àcid làctic i àcid adípic). Les concentracions en què es van trobar van resultar ser substancialment menors que les responsables de causar efectes en les plantes, la qual cosa no permet establir una relació directa entre el seu alliberament dels BDM i els efectes que puguin tenir en les plantes. En tercer lloc, es va estudiar l'efecte de l’acumulació de fragments de BDM en el sòl sobre la germinació i desenvolupament de plantes de tomàquet i d'enciam. La presència de fragments de la majoria dels BDM no va afectar la germinació però si va reduir el creixement i el nivell de clorofil•la en tomàquet i especialment en enciam. En general, els efectes identificats van ser consistents amb els dels compostos alliberats dels BDM trobats anteriorment, i els fragments de PE no van causar efectes. En conjunt, els resultats suggereixen que la composició química del BDM té un paper rellevant en la seva interacció amb el sistema radical de les plantes, i que les conseqüències de la presència de fragments de BDM en el sòl es relaciona amb aquesta composició, probablement pel fet que alliberen components, més que a la seva presència física. Finalment, es va estudiar l'impacte de l'acumuació en el sòl de fragments de BDM en l'estructura i funcions de les comunitats microbianes del sòl agrícola. Després de tres mesos d'incubació, aquesta acumulació va tenir un baix impacte en la diversitat i estructura de les comunitats microbianes del sòl. No obstant això, alguns materials van provocar canvis significatius en l'abundància i diversitat de determinats grups bacterians (Mater-Bi), fúngics (paper MIMGreen) i protistes (Ecovio). Encara que l'activitat microbiana total no es va veure alterada, l'activitat quitinasa, implicada en el cicle del nitrogen, va disminuir significativament per la presència tant de BDM com de PE. Els resultats obtinguts en aquesta tesi doctoral aporten nous coneixements sobre els BDM i els seus potencials efectes. Principalment evidencien que els BDM (1) poden alliberar amb facilitat diversos compostos molt abans que s'iniciï la seva biodegradació, (2) que la solució que conté els compostos alliberats, en funció de la seva composició, pot tenir efectes sobre les plantes i (3) que l’acumulació de fragments de BDM en el sòl presenta capacitat d'afectar el desenvolupament de les plantes i de modificar l'abundància i diversitat del microbioma del sòl en funció de la composició del BDM. Tot això, resulta rellevant per al disseny i desenvolupament d'encoixinats plàstics biodegradables que tinguin sota impacte sobre plantes conreades i sobre el medi ambient.

Los acolchados plásticos agrícolas son una pieza fundamental del sistema agrícola, contribuyendo a hacer frente a la demanda de alimentación de la creciente población mundial. Su uso incrementa la producción, precocidad y calidad de las cosechas, reduce el consumo de agua y la aplicación de pesticidas y previene el desarrollo de malas hierbas. Los acolchados son mayoritariamente de polietileno (PE), no biodegradables, y aunque se deben retirar tras la cosecha, muchos fragmentos permanecen en el campo y se van acumulando, disminuyendo la calidad del suelo y de las cosechas. Los acolchados de plástico biodegradable (BDM) se han presentado como una alternativa sostenible que evita este acúmulo; tras la cosecha serán biodegradados por los microorganismos del suelo en el que se integran. Sin embargo, ello implica el aporte al suelo de los diversos compuestos (polímeros y aditivos) presentes en los fragmentos, pero apenas se han estudiado sus efectos en las plantas cultivadas y en los organismos del suelo. El objetivo de esta tesis es evaluar el efecto que tienen ocho BDM de diferente formulación y sus componentes en el microbioma del suelo agrícola y en plantas cultivadas. Para ello se eligieron dos especies comúnmente cultivadas con acolchados que están entre los principales productos hortícolas a nivel mundial, lechuga (Lactuca sativa L.) y tomate (Lycopersicon esculetum Mill.). Como control se incluyó un acolchado de PE. En primer lugar, se evaluó si los BDM pueden liberar compuestos por contacto con un medio acuoso antes de iniciar su biodegradación, y si los compuestos liberados pueden afectar al desarrollo de las plantas. Se encontró que todos los BDM ensayados liberaron una diversidad de compuestos, que en varios casos (Bioplast SP4 y SP6, Mirel y Biofilm) afectaron negativamente a la germinación, la morfología de las raíces o el desarrollo y fisiología de ambas especies, mientras que los de otros BDM causaron efectos menores (Ecovio, Mater-Bi) o no significativos (Bioflex). A continuación, se identificaron los compuestos liberados, que resultaron ser diversos, tanto componentes de su estructura polimérica (1,4-butanediol, ácido láctico, ácido tereftálico, etc.) como aditivos (ácidos grasos, glicerol, etc.). De entre los identificados se cuantificó principalmente los que anteriormente habían mostrado afectar al desarrollo de plantas de tomate y de lechuga (1,4-butanediol, ácido láctico y ácido adípico). Las concentraciones en que se encontraron resultaron ser sustancialmente menores que las responsables de causar efectos en las plantas, lo que no permite establecer una relación directa entre su liberación de los BDM y los efectos que puedan tener en las plantas. En tercer lugar, se estudió el efecto del acúmulo de fragmentos de BDM en el suelo sobre la germinación y desarrollo de plantas de tomate y de lechuga. La presencia de fragmentos de la mayoría de los BDM no afectó a la germinación pero si redujo el crecimiento y el nivel de clorofila en tomate y especialmente en lechuga. En general, los efectos identificados fueron consistentes con los de los compuestos liberados de los BDM encontrados anteriormente, y los fragmentos de PE no causaron efectos. En conjunto, los resultados sugieren que la composición química del BDM tiene un papel relevante en su interacción con el sistema radical de las plantas, y que las consecuencias de la presencia de fragmentos de BDM en el suelo se relaciona con esta composición, probablemente debido a que liberan componentes, más que a su presencia física. Finalmente, se estudió el impacto del acumulo en el suelo de fragmentos de BDM en la estructura y funciones de las comunidades microbianas del suelo agrícola. Tras tres meses de incubación, este acúmulo tuvo un bajo impacto en la diversidad y estructura de las comunidades microbianas del suelo. Sin embargo, algunos materiales provocaron cambios significativos en la abundancia y diversidad de determinados grupos bacterianos (Mater-Bi), fúngicos (papel MIMGreen) y protistas (Ecovio). Aunque la actividad microbiana total no se vio alterada, la actividad quitinasa, implicada en el ciclo del nitrógeno, disminuyó significativamente por la presencia tanto de BDM como de PE. Los resultados obtenidos en esta tesis doctoral aportan nuevo conocimiento sobre los potenciales efectos de los BDM en las plantas cultivadas y los microorganismos del suelo. Principalmente evidencian que los BDM (1) liberan con facilidad diversos compuestos mucho antes de que se inicie su biodegradación, tras el contacto con el agua, (2) la solución que contiene los compuestos liberados, en función de su composición, puede tener efectos sobre las plantas, (3) que el acúmulo de fragmentos de BDM en el suelo presenta capacidad de afectar al desarrollo de las plantas y de modificar la abundancia y diversidad de los microorganismos del suelo en función de la composición del BDM. Todo ello resulta relevante para el diseño y desarrollo de acolchados plásticos biodegradables que tengan un bajo impacto sobre las plantas cultivadas y sobre el medio ambiente.

Agricultural plastic mulches are an essential part of the agricultural system, contributing to face the food demand for the growing world population. Its use increases crop production, earliness and quality, reduces water consumption and pesticide delivery and prevents weed development. Mulches are mostly made of polyethylene (PE), non-biodegradable. Although they must be removed after harvesting, many fragments remain and accumulate in the field, reducing soil and crop quality. Biodegradable plastic mulches (BDM) have been fostered as a sustainable alternative preventing this accumulation. After harvest they will be biodegraded by the soil microorganisms in which they are integrated. However, this entails the various compounds (polymers and additives) present in the fragments are supplied to the soil, but their effects on cultivated plants and on soil organisms have hardly been studied. The objective of this PhD thesis is to evaluate the effect of eight BDM of different formulation, and their components, on the agricultural soil microbiome and on plants. For this purpose two plant species commonly cultivated with mulches which are among the main horticultural products were targeted, lettuce (Lactuca sativa L.) and tomato (Lycopersicon esculetum Mill.). One PE mulch was included as control mulch. Firstly, it was evaluated whether BDM can release compounds by contact with an aqueous environment before the onset of their biodegradation, and whether the released compounds can affect plant development. It was found that all the BDM tested released a diversity of compounds, which in several cases (Bioplast SP4 and SP6, Mirel and Biofilm) inhibited germination, root morphology or the development and physiology of both plant species, while those from other BDM caused minor (Ecovio, Mater-Bi) or non-significant (Bioflex) effects. Next, the released compounds were identified, which were eventually diverse, both components of its polymeric structure (1,4-butanediol, lactic acid, terephthalic acid, etc.) and additives (fatty acids, glycerol, etc.). Among those identified, the ones having previously shown to affect tomato and lettuce plant development (1,4-butanediol, lactic acid and adipic acid) were quantified. They were found to be in substantially lower concentrations than the ones responsible for causing effects on plants, which does not allow establishing a direct relationship between their release from BDM and the effects they may have on plants. Thirdly, the effect of the accumulation of BDM fragments in the soil on tomato and lettuce germination and plant development was studied. For most BDM, the presence of their fragments did not affect germination but it reduced plant growth and chlorophyll content in tomato and especially in lettuce. In general, the identified effects were consistent with those of compounds released from BDM previously found, and PE fragments caused no effects. Altogether, results suggest that the BDM chemical composition plays a relevant role in its interaction with the plant root system, and that the consequences of the presence of BDM fragments in the soil is related to this composition, likely due to the release of components, rather than to their physical presence. Finally, the impact of the BDM fragments’ accumulation in the soil on the structure and functions of the agricultural soil microbial communities was studied. After incubation for three months, this accumulation had a low impact on the soil microbial communities’ diversity and structure. However, some materials caused significant changes in the abundance and diversity of selected bacterial (Mater-Bi), fungi (MIMGreen paper) and protists (Ecovio) groups. Although the total microbial activity was not altered, the chitinase activity, involved in the nitrogen cycle, was significantly decreased by both BDM and PE presence. The results obtained in this doctoral thesis provide new knowledge on the potential effects of BDMs on cultivated plants and soil microorganisms. They mainly show that BDM (1) easily release several compounds soon before their biodegradation starts, after contact with water, (2) the solution containing the released compounds, depending on its composition, may have effects on plants and (3) the accumulation of BDM fragments in the soil has the capacity to affect plant development and to modify the abundance and diversity of soil microorganisms depending on the composition of the BDM. The results will contribute to the design and development of biodegradable plastic mulches that have a low impact on cultivated plants and the environment.