Biodegradation of PHA/PBAT packaging materials by soil microorganisms

Abstract

Nas últimas décadas, polímeros biodegradáveis têm sido estudados como uma solução promissora para superar a poluição por plástico, com novos produtos desenvolvidos no sentido de responder às questões ambientais, mantendo as propriedades necessárias para aplicações específicas. Isso inclui o uso de polímeros biodegradáveis, como polihidroxialcanoatos (PHAs), com outros polímeros, como o polibutileno adipato tereftalato (PBAT), que é compostável. Esses materiais raramente são avaliados em termos de biodegradação para identificar se de facto são mais sustentáveis. O objetivo deste trabalho foi analisar a biodegradação aeróbia de filmes bicamada PHAs/PBAT, em solo. A biodegradação aeróbica de filmes bicamada de polihidroxibutirato-co-hidroxivalerato (PHBV)/PBAT e polihidroxibutirato (PHB)/PBAT (27 °C), atingiu 46 ± 3 % em 7 meses e 47 ± 1 % em 6 meses, respetivamente. Todas as análises indicaram que a camada PHBV (ou PHB) desapareceu dos resíduos finais. O PBAT contribuiu para os resultados com claros sinais de biodegradação. Dois fungos isolados e identificados como espécies de Aspergillus e três espécies, estreitamente relacionadas com Streptomyces coelicoflavus, Clonostachys rosea e Aspergillus insuetus foram indicados pela primeira vez como degradadores de PHBV ou PHB, respetivamente. Notavelmente, dois fungos estreitamente relacionados com Purpureocillium lilacinum e Aspergillus pseudodeflectus foram isolados e identificados como degradadores de PBAT. A decomposição do filme PHBV/PBAT, provocou a alterações significativas na diversidade taxonómica da comunidade microbiana. Foi também testada a influência de 3 fatores abióticos principais na biodegradação do filme PHB/PBAT. A abordagem baseada num Desenho Rotacional Composto Central revelou que temperaturas mais altas (37 °C < 45 °C) melhoraram a biodegradação e 60 % da capacidade de retenção de humidade produziu resultados semelhantes aos recomendados pelas normas oficiais. Foi desenvolvido um modelo de previsão da biodegradação do filme PHB/PBAT para solos e condições idênticas, que gerou resultados reprodutíveis. Finalmente, monoculturas e co-culturas dos 2 degradadores mesofilos de PBAT com filmes PHB/PBAT ou PBAT confirmaram que ambos degradam PBAT, mas degradam preferencialmente PHB. Os resultados, forneceram informações sobre a biodegradação dos filmes no solo, demonstrando o seu potencial para substituir plásticos convencionais, e revelaram a importância de diferentes fatores abióticos no processo. Embora o PBAT seja mais difícil de biodegradar, os dois fungos descobertos, abrem a oportunidade a novas estratégias de biodegradação no local ou fora dele.

In the last few decades, biodegradable polymers have been studied as a promising solution to overcome plastic pollution, with new products being developed in the prospect of replying to environmental issues while preserving the required properties for specific applications. This includes using biodegradable polymers such as polyhydroxyalkanoates (PHAs) with other polymers such as polybutylene adipate terephthalate (PBAT) that is compostable. These materials are rarely evaluated in terms of biodegradation to identify if in fact are more sustainable than conventional plastics. This work aimed to analyse the aerobic biodegradation in soil of PHAs/PBAT bilayer films. In the first two steps the aerobic biodegradation of polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate (PHBV)/PBAT and polyhydroxybutyrate (PHB)/PBAT films (27 °C), reached 46 ± 3 % in 7 months and 47 ± 1 % in 6 months, respectively. All the properties analyses indicated that the PHBV (or PHB) layer was not present in the final residues. The PBAT also contributed to the results with clear signs of biodegradation. Two fungi isolated and identified as Aspergillus species and three species, closely related to Streptomyces coelicoflavus, Clonostachys rosea and Aspergillus insuetus were indicated for the first time as PHBV or PHB degraders, respectively. Most remarkably, two fungi closely related to Purpureocillium lilacinum and Aspergillus pseudodeflectus were isolated and identified as PBAT degraders. The decomposition of the PHBV/PBAT film caused significant changes in the taxonomic diversity of the microbial community. The influence of three main abiotic factors was also tested on the biodegradation of the PHB/PBAT film. The Central Composite Rotational Design approach revealed that higher temperatures (37 °C < 45 °C) improved biodegradation, and 60 % moisture holding capacity produced similar results to the recommended range by official standards (80 – 100 %). A prediction model was also developed for the biodegradation of this film in similar soils and conditions, generating reproducible results. Finally, monocultures and coculture of the two PBAT mesophilic degraders, with PBAT or PHB/PBAT films confirmed that both are capable of degrading PBAT but degrade preferably PHB. The results provided insights into the biodegradation of the bilayer films in soil demonstrating its potential to replace synthetic plastics while revealing the importance of different abiotic factors on the process. Although PBAT was more difficult to biodegrade, 2 fungi were found to degrade PBAT, opening the opportunity for the development of new in-situ or ex-situ biodegradation strategies.