title: Έλεγχος αποδόμησης βιοπλαστικών στο περιβάλλον
title: Assessment of bioplastics degradation in the environment
Creators: name: Μορφογιαννη Δημητρα
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Η συσσώρευση πλαστικών αποβλήτων είναι μια από τις διάφορες προκλήσεις που αντιμετωπίζει ο πλανήτης μας τα τελευταία χρόνια. Ένα μέρος πλαστικών αποβλήτων συσσωρεύεται σε χώρους υγειονομικής ταφής, άλλο μέρος καταλήγει στα υδάτινα και χερσαία οικοσυστήματα, όπου και παραμένουν για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, λόγω του ότι τα πλαστικά πετροχημικής βάσης είναι κυρίως μη διασπώμενα. Ένας τρόπος για να ξεπεραστούν, τουλάχιστον μερικώς, τα προβλήματα που σχετίζονται με την παραγωγή πλαστικών αγαθών και το τέλος του κύκλου ζωής τους είναι η ανάπτυξη και παραγωγή βιοδιασπώμενων πλαστικών με βιολογική προέλευση, γνωστά και ως βιοπλαστικά. Τα βιοπλαστικά παράγονται από ανανεώσιμες πηγές βιομάζας και τα περισσότερα από αυτά μπορούν να διασπαστούν από τους μικροοργανισμούς του περιβάλλοντος. Η χρήση βιοπλαστικών κερδίζει ολοένα και περισσότερο έδαφος, ωστόσο η μελέτη τους είναι ακόμη σε πρωταρχικό στάδιο.
Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας μελετήθηκε η τύχη και δυνατότητα αποδόμησης των βιοπλαστικών PLA (Polyla ctic Acid ή Πολυγαλακτικό οξύ) και PBAT (αλειφατικός-αρωματικός συμπολυεστέρας) σε μορφή ECOFLEX, ξεχωριστά και σε συνδυασμό με τα πρόσθετα Coffee Silverskin (CS) και MMT Clays, κατόπιν επίδρασης περιβαλλοντικών συνθηκών σε περιβάλλον θαλασσινού νερού και χώματος. Η πειραματική διαδικασία χωρίστηκε σε τρία χρονικά διαστήματα των 45d και συνολικά διήρκησε περίπου 4 μήνες. Τα δείγματα βιοπλαστικών παρέμεναν μέσα σε θαλασσινό νερό στο χώρο του εργαστηρίου και σε δοχεία με χώμα σε εξωτερικό χώρο. Ο ρυθμός βιοαποδόμησης προσδιορίστηκε ελέγχοντας το βάρος των βιοπλαστικών, τη συμπεριφορά της βακτηριακής κοινότητας στο θαλασσινό νερό και στο χώμα και την ανάπτυξη μικροοργανισμών στην επιφάνεια των βιοπλαστικών, γνωστή και ως βιοϋμένιο. Κατά τη διενέργεια των πειραμάτων τα βιοπλαστικά αποτελούσαν τη μοναδική πηγή τροφής/ενέργειας για τους μικροοργανισμούς. Επιπλέον, ελέγχθηκε η συγκέντρωση πρωτεϊνών στο βιοϋμένιο των δειγμάτων για το θαλασσινό νερό και το χώμα.
Όσον αφορά τα αποτελέσματα που αφορούσαν στην αλλαγή βάρους, τα δείγματα PLA και ECOFLEX δεν εμφάνισαν σημαντική μείωση του βάρους τους μέχρι και το πέρας των 135d ούτε στο νερό ούτε στο έδαφος. Παρ’ όλα αυτά παρατηρήθηκε αποχρωματισμός και μεγαλύτερη ευκαμψία των δειγμάτων μετά από 90 και 135d. Τα δείγματα που αποτελούσαν μείγμα με CS και MMT Clays παρουσίασαν μεγαλύτερη μείωση του βάρους τους και ειδικότερα το PLA4043D + ECOFLEX(10-15%) + 30%CS + 8%MMTClays έχασε το 17,9% μετά από 90d στο νερό και 51,6% μετά από 45d στο χώμα. Τα δείγματα PLA4043D+30%CS και ECOFLEX+30%CS μέχρι το τέλος του πειράματος στο θαλασσινό νερό είχαν χάσει περίπου το 10% του βάρους τους, και ακόμη περισσότερο στο χώμα. Στα αποτελέσματα της μελέτης του βιοϋμενίου, και για τα δύο περιβάλλοντα, μετρήθηκαν περισσότερες αποικίες βακτηρίων στην επιφάνεια των συνδυασμένων υλικών, συγκεκριμένα δύο τάξεις μεγέθους περισσότερες από τα PLA και ECOFLEX. Τα αποτελέσματα αυτά συνάδουν με τα παραπάνω για την απώλεια του βάρους όσον αφορά στο ρυθμό αποδόμησης. Τέλος, σχετικά με τη μελέτη των πρωτεϊνών στο βιοϋμένιο, για τα δείγματα του θαλασσινού νερού παρατηρήθηκε μέγιστη συγκέντρωση 3,75 μg/mL στο δείγμα PLA4043D + ECOFLEX(10-15%) + 30%CS + 8%MMTClays των 90d, το ίδιο που παρουσίασε το μεγαλύτερο ποσοστό αποδόμησης. Όσον αφορά τα δείγματα του χώματος, παρατηρήθηκε μέγιστη συγκέντρωση στα δείγματα των πρώτων 45d, ενδεικτικά 4,33 μg/mL για το PLA4043D+30%CS. Το γεγονός αυτό μπορεί να οφείλεται σε εξωτερικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία. Συμπερασματικά, τα βιοπλαστικά PLA και ECOFLEX(PBAT) αποδομούνται δύσκολα και σε μεγάλο χρονικό διάστημα από τους μικροοργανισμούς σε υδάτινο και χερσαίο περιβάλλον. Ωστόσο, σε συνδυασμό με CS και MMTClays, η διάσπαση αυτών των υλικών ξεκινάει νωρίτερα, καθώς λόγω της βιολογικής τους προέλευσης είναι ευκολότερο από τους μικροοργανισμούς να τα αποδημήσουν. Συνεπώς, καθίσταται ευάλωτο το υπόλοιπο πολυμερές και ο ρυθμός αποδόμησης αυξάνεται.
description: The accumulation of plastic waste is one of the various challenges our planet has faced in recent years. Some plastic waste accumulates in landfills, while others end up in aquatic and terrestrial ecosystems, where they remain for a very long time, due to the fact that petrochemical-based plastics are mainly non-degradable. One way of overcoming, at least in part, the problems associated with the production of plastic goods and their end of life is to develop and produce biodegradable plastics of biological origin, also known as bioplastics. Bioplastics are produced from renewable biomass sources and most of them can be broken down by micro-organisms in the environment. The use of bioplastics is gaining ground, but their study is still at an early stage.
       In this thesis, the fate and degradation potential of the bioplastics PLA and PBAT in ECOFLEX form, separately and in combination with Coffee Silverskin (CS) and MMT Clays additives, were studied under the influence of environmental conditions in seawater and soil environment. The experimental procedure was divided into three time-intervals of 45 days and in total lasted about 4 months. The bioplastic samples were kept in seawater in the laboratory and in soil containers outdoors. The rate of biodegradation was monitored by studying the weight of the bioplastics, the behaviour of the bacterial community in seawater and soil, and the growth of microorganisms on the surface of the bioplastics, also known as biofilm. During the experiments the bioplastics were the only source of food/energy for the microorganisms. In addition, the protein concentration in the biofilm of the samples was tested in seawater and soil samples.
       Regarding the results related to weight change, PLA and ECOFLEX samples did not show significant weight reduction up to the end of 135 days in either water or soil. However, discoloration and greater flexibility of the samples were observed after 90 and 135d. The samples that were a mixture of CS and MMT Clays showed a greater weight reduction. Specifically, PLA4043D + ECOFLEX(10-15%) + 30%CS + 8%MMTClays lost 17.9% of their weight after 90d in water and 51.6% after 45d in soil. PLA4043D+30%CS and ECOFLEX+30%CS samples had lost about 10% of their weight by the end of the experiment in seawater, and even more in soil. Regarding the biofilm study, in both environments, more bacterial colonies were measured on the surface of the combined materials. The bacterial density was higher by two orders of magnitude on combined bioplastics than PLA and ECOFLEX. These results are consistent with the above results concerning weight loss in terms of degradation rate. Finally, regarding the study of proteins in the biofilm, in the seawater samples, a maximum concentration of 3.75 μg/mL was observed in the PLA4043D + ECOFLEX(10-15%) + 30%CS + 8%MMT Clays sample of 90d. This sample was the one that showed the highest degradation rate. As for the soil samples, a maximum concentration of proteins was observed in the samples of the first 45d, indicatively 4.33 μg/mL for PLA4043D + 30%CS. This may be due to external environmental factors such as temperature.
       In conclusion, PLA and ECOFLEX(PBAT) bioplastics are difficult to be degraded and require a longer time by microorganisms in aquatic and terrestrial environments. However, in combination with CS and MMT Clays, the degradation of these materials starts earlier, as due to their biological origin it is easier for microorganisms to degrade them. Consequently, the remaining polymer becomes vulnerable and the degradation rate increases.