DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91647-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40075087
تاريخ النشر: 2025-03-12
المؤلف: Sevil Vafadar Afshar وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تفكك عشرة منتجات بلاستيكية قابلة للتحلل تجارياً تحت ظروف التسميد الصناعية المحاكية، مع التركيز على أدائها في التحلل وإمكانية إنتاج جزيئات البلاستيك الدقيقة (MP). تضمنت المنتجات المختبرة تركيبات بوليمرية متنوعة، مثل حمض البوليلكتيك (PLA)، بولي بوتيلين أدبات تيريفثاليت (PBAT)/نشا، وبولي هيدروكسي ألكانوات (PHA)، مع تسعة منها تم تسويقها على أنها قابلة للتسميد. تم تقييم التفكك وفقًا لمعيار ISO 20200، مما كشف عن درجات من التفكك تتراوح بين 75% إلى 100%، حيث حققت خمسة منتجات تفككًا كاملاً. ومن الملاحظ أنه تم الكشف عن جزيئات البلاستيك الدقيقة في السماد تحت الغربال من منتجين قابلين للتحلل، بينما لم تظهر البلاستيكات التقليدية أي جزيئات دقيقة، مما يشير إلى قلق بيئي محتمل بشأن إطلاق جزيئات البلاستيك القابلة للتحلل أثناء عملية التسميد.
تسلط الدراسة الضوء أيضًا على التباينات بين تسميات المنتجات وتركيبتها البوليمرية الفعلية، مما يبرز الحاجة إلى تسميات دقيقة لتعزيز الشفافية في سوق البلاستيك القابل للتحلل. عموماً، أظهرت منتجات PLA الصلبة معدلات تفكك أعلى مقارنة بمنتجات PBAT/نشا وPHA المرنة، حيث تؤثر عوامل مثل السماكة والبلورية على تباين التحلل. تشير النتائج إلى أنه بينما قد تتفكك البلاستيكات القابلة للتحلل بشكل أكثر فعالية من البلاستيكات التقليدية، فإن قدرتها على إنتاج جزيئات البلاستيك الدقيقة الحيوية أثناء التحلل تتطلب مزيدًا من البحث وتطوير طرق استخراج موحدة للكشف الدقيق. وهذا يبرز أهمية المناقشات التنظيمية المحيطة بتسمية وتأثير البلاستيكات القابلة للتحلل على البيئة، خاصة في السياقات الزراعية حيث يُستخدم السماد كسماد.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم إجراء اختبار تفكك وفقًا لمعيار ISO 20200:2015 لتقييم درجة التفكك لمجموعة متنوعة من المنتجات البلاستيكية القابلة للتحلل تجارياً تحت ظروف التسميد المحاكية. تم اختيار هذه الطريقة لملاءمتها في التقييمات على نطاق المختبر، مقارنةً بمعايير أخرى مثل ISO 16929 وISO 14045، التي تهدف إلى التقييمات على نطاق تجريبي. كانت الدراسة تهدف إلى تحليل تفكك البلاستيكات القابلة للتحلل المتاحة في السوق الأوروبية، مع الاعتراف بالتحديات في الحصول على بيانات دقيقة عن التركيب البوليمري بسبب محدودية الشفافية من الشركات المصنعة.
لتعزيز فهم المواد المختبرة، تم استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وحرارة المسح التفاضلي (DSC) لتحليل التركيب والتغيرات المحتملة في الخصائص للبلاستيكات بعد التسميد. تم إجراء اختبارات التفكك تحت ظروف مختبرية محكومة تحاكي معايير التسميد الصناعية، بما في ذلك درجة الحرارة والرطوبة والتهوية، مع إجراء التجارب ثلاث مرات لعشرة منتجات قابلة للتحلل، بالإضافة إلى ضوابط إيجابية وسلبية. تم تضمين عينة مرجعية من النفايات الاصطناعية أيضًا. بعد اختبار التفكك، تم إجراء فحص بصري لتحديد وجود جزيئات البلاستيك الدقيقة (MP) في السماد، بهدف تقييم ما إذا كانت جزيئات البلاستيك الدقيقة تتولد أثناء تحلل البلاستيكات.
النتائج
كشفت نتائج اختبارات التفكك التي أجريت على مدى فترة تسميد مدتها 90 يومًا عن تغييرات كبيرة في مظهر البلاستيكات المختلفة المختبرة. تم ملاحظة علامات أولية للتفكك في وقت مبكر من اليوم السابع، حيث بدأت عينات البلاستيك الصلب من حاوية الطعام، الغطاء، وكلا وعاءي الزهور في تغيير اللون والملمس. بحلول اليوم 11، تم تفتت جميع قطع حاوية الطعام إلى مكونات أصغر، وبحلول اليوم 14، لوحظ تفتت مماثل للغطاء وكلا وعاءي الزهور، مع عدم وجود بلاستيك مرئي متبقي في هذه العينات.
أشارت الملاحظات الإضافية إلى أنه بحلول اليوم 30، بدأ بعض البلاستيك من عينات الطبق أيضًا في التفكك، بينما ظل الغطاء ووعاءا الزهور خاليين تمامًا من البلاستيك المرئي. أظهرت أكياس النفايات معدلات تفكك متفاوتة، حيث تم التفتت الكامل لكيس النفايات (1) بحلول اليوم 59. ومع ذلك، كانت بقايا البلاستيك لا تزال موجودة في العينات التي تحتوي على كيس الطعام، الحبل، كيس النفايات (2)، كيس النفايات (3)، والطبق بحلول اليوم 90. تؤكد هذه النتائج على معدلات التحلل البيولوجي المتفاوتة بين أنواع البلاستيك المختلفة تحت ظروف التسميد.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل مجموعة متنوعة من المنتجات البلاستيكية القابلة للتحلل المستمدة من السوق الأوروبية من حيث تركيبها وتفككها أثناء التسميد. تضمنت المنتجات تلك المصنوعة من حمض البوليلكتيك (PLA)، والنشا، والبوليمرات القابلة للتحلل، وبولي هيدروكسي ألكانوات (PHA)، مع التركيز على العناصر التي يمكن أن تُسمّد بشكل واقعي في المنشآت الصناعية. من بين عشرة منتجات تم اختبارها، تم تسويق تسعة منها على أنها قابلة للتسميد، مع اعتماد ستة منها وفقًا للمعيار الأوروبي EN 13432. استخدمت الدراسة مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وحرارة المسح التفاضلي (DSC) لتوصيف البلاستيكات كيميائيًا وتأكيد تركيباتها، مما كشف عن تباينات بين المواد المعلنة والفعلية، خاصة في المنتجات المعلنة على أنها 100% نشا.
أظهر اختبار التفكك، الذي تم إجراؤه تحت ظروف محكومة، أنه بينما حققت ثمانية من المنتجات القابلة للتحلل أكثر من 90% تفكك بعد 90 يومًا، فإن منتجين (كيس النفايات (2) والطبق) لم يبلغا هذا العتبة، مما يثير تساؤلات حول امتثالهما لمعايير القابلية للتسميد. تشمل العوامل المؤثرة في التفكك نوع البوليمر، السماكة، البلورية، ومحتوى الماء. ومن الملاحظ أن منتجات PLA تفككت بالكامل باستمرار، مما يشير إلى أن نوع البوليمر قد يلعب دورًا أكبر من الخصائص الفيزيائية. تبرز الدراسة الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف التفاعل بين هذه العوامل وتقييم أداء البلاستيكات القابلة للتحلل في بيئات التسميد الواقعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91647-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40075087
Publication Date: 2025-03-12
Author(s): Sevil Vafadar Afshar et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
The research investigates the disintegration of ten commercially available biodegradable plastic products under simulated industrial composting conditions, focusing on their degradation performance and potential microplastic (MP) production. The products tested included various polymer compositions, such as polylactic acid (PLA), polybutylene adipate terephthalate (PBAT)/starch, and polyhydroxyalkanoate (PHA), with nine marketed as compostable. Disintegration was assessed according to ISO 20200, revealing degrees of disintegration ranging from 75% to 100%, with five products achieving complete disintegration. Notably, MPs were detected in compost undersieves from two biodegradable products, while conventional plastics showed no MPs, indicating a potential environmental concern regarding the release of biodegradable MPs during composting.
The study also highlights discrepancies between product labeling and actual polymer composition, emphasizing the need for accurate labeling to enhance transparency in the biodegradable plastics market. Rigid PLA products generally exhibited higher disintegration rates compared to flexible PBAT/starch and PHA products, with factors such as thickness and crystallinity influencing degradation variability. The findings suggest that while biodegradable plastics may disintegrate more effectively than conventional plastics, their potential to generate bio-MPs during degradation necessitates further research and the development of standardized extraction methods for accurate detection. This underscores the importance of regulatory discussions surrounding the labeling and environmental impact of biodegradable plastics, particularly in agricultural contexts where compost is used as fertilizer.
Methods
In this study, a disintegration test was conducted following ISO 20200:2015 to evaluate the degree of disintegration of various commercial biodegradable plastic products under simulated composting conditions. This method was chosen for its suitability in laboratory-scale assessments, contrasting with other standards like ISO 16929 and ISO 14045, which are intended for pilot-scale evaluations. The research aimed to analyze the disintegration of biodegradable plastics available in the European market, while acknowledging the challenges in obtaining precise polymer composition data due to limited transparency from manufacturers.
To enhance the understanding of the materials tested, Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy and differential scanning calorimetry (DSC) were employed to analyze the composition and potential property changes of the plastics post-composting. The disintegration tests were performed under controlled laboratory conditions that mimicked industrial composting parameters, including temperature, moisture, and aeration, with experiments conducted in triplicate for ten biodegradable products, alongside positive and negative controls. A reference sample of synthetic waste was also included. Following the disintegration test, a visual inspection was carried out to identify the presence of microplastics (MPs) in the compost, aiming to evaluate whether MPs are generated as the plastics degrade.
Results
The results of the disintegration tests conducted over a 90-day composting period revealed significant alterations in the appearance of various tested plastics. Initial signs of disintegration were observed as early as day seven, with rigid plastic samples from the Food Container, Lid, and both Flower Pots beginning to change color and texture. By day 11, all pieces of the Food Container had fragmented into smaller components, and by day 14, similar breakdown was noted for the Lid and both Flower Pots, with no visible plastic remaining in these samples.
Further observations indicated that by day 30, some plastic from the Plate samples had also begun to disintegrate, while the Lid and Flower Pots remained entirely free of visible plastic. The Waste Bags showed varying rates of disintegration, with complete breakdown of Waste Bag (1) by day 59. However, remnants of plastic were still present in samples containing the Food Bag, Drawstring, Waste Bag (2), Waste Bag (3), and Plate by day 90. These findings underscore the varying rates of biodegradation among different plastic types under composting conditions.
Discussion
In this study, a variety of biodegradable plastic products sourced from the European market were analyzed for their composition and disintegration during composting. The products included those made from polylactic acid (PLA), starch, biodegradable polyesters, and polyhydroxyalkanoates (PHA), with a focus on items that could realistically be composted in industrial facilities. Among the ten products tested, nine were marketed as compostable, with six certified under the European standard EN 13432. The study employed Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and differential scanning calorimetry (DSC) to chemically characterize the plastics and confirm their compositions, revealing discrepancies between labeled and actual materials, particularly in products labeled as 100% starch.
The disintegration test, conducted under controlled conditions, demonstrated that while eight of the biodegradable products achieved over 90% disintegration after 90 days, two products (Waste Bag (2) and Plate) fell short of this threshold, raising questions about their compliance with compostability standards. Factors influencing disintegration included polymer type, thickness, crystallinity, and water content. Notably, PLA products consistently disintegrated completely, suggesting that polymer type may play a more significant role than physical characteristics. The study highlights the need for further research to explore the interplay of these factors and to assess the performance of biodegradable plastics in real-world composting environments.