title: Μελέτη οικοτοξικότητας και βιοαποδόμησης βιοπλαστικών
title: Study of the ecotoxicity and biodegradation of bioplastics
Creators: name: Καρακουλα Κωνσταντινα
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2022

description: Ένα μεγάλο μέρος των πλαστικών αποβλήτων που παράγονται παγκοσμίως καταλήγει στα χερσαία και υδάτινα οικοσυστήματα, με αποτέλεσμα τη χημική ρύπανση του πλανήτη και την απειλή της ακεραιότητας των παγκόσμιων οικοσυστημάτων, από τα οποία εξαρτάται η επιβίωση του φυσικού περιβάλλοντος και κατ’ επέκταση της ανθρωπότητας. Τα πλαστικά αποτελούν σοβαρό παράγοντα ρύπανσης του περιβάλλοντος καθώς, με την πρόοδο της επιστήμης και της τεχνολογίας οι ολοένα και αυξανόμενες ανθρώπινες δραστηριότητες οδήγησαν στην υπερβολική χρήση άρα, και παραγωγή τους. Η χρήση βιοπλαστικών μπορεί να λύσει τη ρύπανση που προκαλείται από τα συμβατικά πλαστικά στο μέλλον. Ωστόσο, τα μικροπλαστικά και τα νανοπλαστικά που παράγονται κατά τη διαδικασία γήρανσης των βιοαποδομήσιμων πλαστικών αποτελούν παγκόσμια ανησυχία λόγω της ευρείας κατανομής και των μεγάλων ποσοτήτων τους.
Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής μελετήθηκε η οικοτοξικότητα των βιοπλαστικών PLA και PBAT, που αποτελούν δύο από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα βιοπλαστικά, σε συνδυασμό με Coffee Silverskin και MMT Clays σε βιοδείκτες, όπως είναι το βακτήριο Vibrio fischeri και ο μύκητας Penicillium rubrum. Ο έλεγχος οικοτοξικότητας πραγματοποιήθηκε σε υδατικά διαλύματα αλλά και δύο διαφορετικά είδη εδαφικού δείγματος. Πραγματοποιήθηκε επίσης απομόνωση και ποσοτικοποίηση του βακτηριακού γενετικού υλικού στα εδαφικά δείγματα, με σκοπό τη διερεύνηση τυχόν επίδρασης των βιοπλαστικών στους βακτηριακούς μικροοργανισμούς του εδάφους.
Όσον αφορά στα αποτελέσματα από τον έλεγχο τοξικότητας των βιοπλαστικών έναντι του βακτηρίου V. fischeri και του μύκητα P. rubrum, μετά την πάροδο 30 d και 14 d αντίστοιχα, δεν παρατηρήθηκε κάποια μείωση του βακτηριακού ή του μυκητιακού πληθυσμού καθώς οι τιμές σε σύγκριση με το control παρέμεναν σχεδόν σταθερές ή εμφάνιζαν μικρές διαφορές οι οποίες όμως δεν υποδηλώνουν κάποια τοξικότητα έναντι των μικροοργανισμών. Το συγκεκριμένο βακτήριο δεν είναι ένα αρκετά ευαίσθητο μοντέλο για εξέταση τοξικότητας πλαστικών και οργανικής ρύπανσης με συνέπεια τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης να συμφωνούν με τη βιβλιογραφία. Ομοίως, τοξικότητα δεν εκδηλώθηκε ούτε έναντι του μύκητα, αλλά αντιθέτως στο διάστημα των μετρήσεων υποδεικνύεται μια μικρή αύξηση του πληθυσμού, η οποία οφείλεται στο γεγονός ότι οι μύκητες είναι πιο ανθεκτικοί σε δοκιμασίες τοξικότητας από ότι τα βακτήρια αλλά και στην βιοαποδόμηση των δειγμάτων από το μικροοργανισμό. Ο P. rubrum μπορεί να χρησιμοποιεί το δείγμα ως πηγή άνθρακα συμβάλλοντας έτσι στην πιο γρήγορη ανάπτυξή του. 
Στα αποτελέσματα που αφορούσαν στο μικροβιακό πληθυσμό του εδάφους για τα δύο εδαφικά δείγματα, στο διάστημα των 60 d, κανένα από τα δείγματα βιοπλαστικού δεν εμφανίζει τοξικότητα έναντι των βακτηρίων και των μυκήτων του εδάφους. Η συγκέντρωση των βακτηρίων παραμένει σταθερή σε σχέση με το control ενώ η συγκέντρωση του μυκητιακού πληθυσμού δείχνει να αυξάνεται και οι τιμές κυμαίνονται περίπου στις ίδιες τάξεις μεγέθους και για τα δύο εδάφη. Τα βιοπλαστικά είναι εγγενώς πολύπλοκα υλικά στη σύστασή τους αλλά μη τοξικά σε συγκεκριμένες ποσότητες στο έδαφος. Οι μύκητες είναι καλοί αποικοδομητές του εδάφους με αποτέλεσμα να εμφανίζουν εξαιρετικές ικανότητες αποδόμησης υλικών. Η μοριακή ποσοτικοποίηση για τα βακτήρια που υπήρχαν στα δύο εδαφικά δείγματα εμφάνισε μικρές διαφορές μεταξύ των δύο ειδών χώματος, με μείωση πληθυσμού για το δεύτερο δείγμα. Πιο συγκεκριμένα, για τις περιπτώσεις παρουσίας των βιοπλαστικών PLA+PBAT+30%CS+8%MMT Clays και PBAT, σημειώθηκε μικρός βαθμός τοξικότητας τουλάχιστον όσον αφορά στη συγκεκριμένη ποσότητα βιοπλαστικού που προστέθηκε και το συγκεκριμένο χρονικό διάστημα των δύο μηνών που πραγματοποιήθηκαν οι δειγματοληψίες. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε έλλειψη θρεπτικών συστατικών στο έδαφος με αποτέλεσμα την παρεμπόδιση ανάπτυξης των βακτηρίων αλλά και στις εδαφολογικές διαφορές μεταξύ των δύο δειγμάτων. 
Συνοψίζοντας, το PLA και το PBAT δεν είναι βιοπλαστικά που καθίστανται τοξικά στους μικροοργανισμούς που μελετήθηκαν. Οι μύκητες και στην περίπτωση εργαστηριακής ανάπτυξης αλλά και στα εδαφικά δείγματα παρουσίασαν εξαιρετική ανθεκτικότητα με ταυτόχρονη ανάπτυξη που οφείλεται στο ότι μπορούν να βιοαποδομήσουν τα βιοπλαστικά, σε χερσαίο περιβάλλον όπου χρησιμοποιούν ως πηγή άνθρακα τα πλαστικά μικροσφαιρίδια.


description: A large part of the plastic waste produced worldwide ends up in terrestrial and aquatic ecosystems, resulting in chemical pollution of the planet and threatening the integrity of global ecosystems, on which the survival of the natural environment and, by extension, humanity depends. Plastics are a serious factor in environmental pollution as, with the progress of science and technology, the ever-increasing human activities have led to their excessive use, and thus their production. The use of bioplastics can solve the pollution caused by conventional plastics in the future. However, microplastics and nanoplastics produced during the aging process of biodegradable plastics are a global concern due to their wide distribution and large quantities. In the context of this thesis, the ecotoxicity of PLA and PBAT bioplastics, which are two of the most widely used bioplastics, was studied in combination with Coffee Silverskin and MMT Clays on biomarkers such as the bacterium Vibrio fischeri and the fungus Penicillium rubrum. The ecotoxicity test was carried out in aqueous solutions as well as two different types of soil sample. Isolation and quantification of the bacterial genetic material in the soil samples was also carried out, to investigate any effect of bioplastics on soil bacterial microorganisms. Regarding the results from the toxicity test of the bioplastics against the bacterium V. fischeri and the fungus P. rubrum, after 30 d and 14 d respectively, no reduction of the bacterial or fungal population was observed as the values compared to control remained almost constant or showed small differences which, however, did not indicate any toxicity against microorganisms. This bacterium is not a sufficiently sensitive model for examining plastic toxicity and organic pollution, so the results of the present study agree with the literature. Likewise, toxicity was not manifested against the fungus either, but instead a small population increase was indicated during the measurement interval, which is because fungi are more resistant to toxicity tests than bacteria and to the biodegradation of the samples by the microorganism. P. rubrum can use the sample as a carbon source thus contributing to its faster growth. In the results concerning the soil microbial population for the two soil samples, at the interval of 60 d, none of the bioplastic samples shows toxicity against soil bacteria and fungi. The concentration of bacteria remains constant in relation to the control, while the concentration of the fungal population appears to be increasing and the values range approximately in the same orders of magnitude for both soils. Bioplastics are inherently complex materials in their composition but non-toxic in specific amounts in the soil. Fungi are good decomposers of the soil and as a result show excellent abilities to degrade materials.
Molecular quantification for the bacteria presents in the two soil samples showed small differences between the two soil types, with a population decrease for the second sample. More specifically, for the cases of the presence of the bioplastics PLA+PBAT+30%CS+8%MMT Clays and PBAT, a small degree of toxicity was noted, at least in terms of the specific amount of bioplastic added and the specific period of two months that the samplings were carried out. This may be due to a lack of nutrients in the soil resulting in the inhibition of bacterial growth, but also to the soil differences between the two samples. In summary, PLA and PBAT are not bioplastics that become toxic to the microorganisms studied. The fungi both in the case of laboratory growth and in soil samples showed excellent resistance with simultaneous growth since they can biodegrade bioplastics, in a terrestrial environment where they use plastic microspheres as a carbon source.