נושא הפרוייקט

מספר פרוייקט מחלקה שמות סטודנטים אימייל שמות מנחים

אפיון השפעות של חיפוי פלסטי מתכלה המכיל חלקיקי אוראה על זיהום קרקע ע"י פלסטיק ועל רמת הנוטריינטים בקרקע, והשוואה לפוליאתילן המקובל כיום בתעשייה.

Characterization of the effects of biodegradable plastic (BDM) mulch containing urea co-crystals on soil pollution by plastic and on the level of nutrients in the soil, as an alternative for LDPE

תקציר בעיברית

האתגרים בתחום האנרגיה, הקרקע והמים מחייבים אותנו למצוא תחליפים ברי־קיימא לחומרים בהם נעשה שימוש נרחב בחקלאות. דוגמה לחומר שכזה הוא הפוליאתילן (LDPE), שמשמש כחיפוי קרקע במטרה לשמור על לחות בקרקע, הגנה מפניי קרינה וחום, מניעת סחף של הקרקע, הפחתת זיהום ע"י פתוגנים, עיכוב גדילה של עשבים מזיקים ומשמש כחיץ בין הצמח לבין מי קולחין המשמשים להשקיה.
פרויקט זה עוסק באפיון ההשפעות של חיפוי פלסטי מתכלה על קרקע, ובדיקת הפוטנציאל להפחתת שחיקת קרקע הנובעת מזיהום פלסטיק. לשם כך יוצר הביופולימר פולי־בוטילן סוקסינט (PBS) שלו פוטנציאל להתפרק ביולוגית בקרקע. כדי להגביר את קצב הפירוק, הוטמעו חלקיקי אוראה ב-PBS, במטרה להעלות את כמות החנקן הזמין לחיידקים בקרקע. אנו שיערנו כי ההעשרה בחנקן תשפר את פירוק ה PBS לעומת ביופולימרים אחרים המזמנים לחיידקים פחמן אך אין בהם חנקן זמין כלל. יתרון נוסף של גישה זו היא הפחתה של זיהום סביבתי ע"י הפחתת השימוש בדשנים סינתטיים עתירי חנקן, שכן רק 50% מהחנקן נשאר בקרקע והשאר מזהם את הקרקע ומי התהום. אנו שיערנו כי החנקן המוטמע בפולימר ישתחרר לאט ובכך יעלה את הזמינות למיקרואורגניזמים בקרקע.
כדי לבדוק את ההשערות הודגרו דגימות קרקע עם טיפולים שכללו LDPE ו-PBS עם ובלי חלקיקי אוראה מוטמעים, וכן PBS עם אוראה חופשית. כביקורות הוספנו לקרקע אוראה חופשית וכן בדקנו קרקע לא מופרעת. משך ההדגרה היה 60 ימים בטמפרטורת החדר עם 50% קיבולת לחות בקרקע, כאשר ב-5 נקודת זמן (0, 3, 7, 30, 60 יום) נמדדו קצבי הפירוק של החומר האורגני בקרקע על ידי בדיקת פליטות של CO2 ו-N2O, ובוצע כימות של החיידקים ע"י qPCR, במטרה לאפיין את השפעת הטיפולים השונים על המיקרואורגניזמים בקרקע.
הפעילות המיקרוביאלית (כפי שנמדדה מערכי פליטות ה-CO2 ) זוהתה עבור הטיפול שכלל PBS עם חלקיקי האוראה מוטמעים. ערכי הפעילות היו דומים לאלה של קבוצת הביקורת, ואפילו מעט נמוכים יותר, אולי מפניי שהחלקיקים בהם נעשה שימוש בניסוי זה היו גדולים יחסית, ולכן בעלי שטח פנים גדול, מה שהפחית את היכולת לפירוק הפולימר ע"י המיקרוביום. הפעילות הגבוהה ביותר נצפתה עבור PBS עם אוראה חופשית, אז גם הפליטות נשארו גבוהות למשך זמן רב יותר, והן היו גבוהות יותר בהשוואה לקבוצה שהכילה אוראה בלבד, מה שמרמז אולי על כך שאוראה מוטמעת לא הייתה זמינה למיקרואורגניזמים בקרקע. עם זאת אוראה חופשית העלתה את זמינות ה-PBS למיקרואורגניזמים בקרקע. העבודה הראתה כי שימוש בביופלסטיק אינו מבטיח פירוק בקרקע ויש להמשיך ולחקור מה יוכל להאיץ את הפירוק על ידי המיקרואורגניזמים.

תקציר באנגלית

The complexity of problems facing the Food-Energy-Water field forces us to find sustainable substitutes for materials that are widely used in agriculture. An example of such a material is polyethylene (LDPE), which is used as a ground cover in order to maintain soil moisture, protect against radiation and heat, prevent soil erosion, reduce contamination by pathogens, inhibit the growth of harmful weeds, and serves as a buffer between the plant and wastewater used for irrigation.
This project deals with characterizing the effects of biodegradable plastic mulch on soil, and testing the potential for reducing soil erosion resulting from plastic pollution. For this purpose, we used the biopolymer polybutylene succinate (PBS), which is known to be biodegradable by microorganism in the soil. To increase the decomposition rate, urea particles were internalized in the PBS, with the aim of increasing the amount of nitrogen available to bacteria in the soil. We hypothesized that the enrichment of nitrogen would improve the decomposition of PBS compared to other biopolymers that supply carbon to the bacteria but have no available nitrogen at all. Another advantage of this approach is the reduction of environmental pollution by reducing the use of high-nitrogen synthetic fertilizers, since only 50% of the nitrogen remains in the soil and the rest pollutes the soil and groundwater. We hypothesized that the nitrogen embedded in the polymer would be released slowly and thus increase its availability to soil microorganisms.
To test the hypotheses, soil samples were incubated with treatments that included LDPE and PBS with and without embedded urea particles, as well as PBS with free urea. As controls, we added free urea to the soil and also tested undisturbed soil. The duration of the incubation was 60 days at room temperature with 50% soil moisture capacity in the soil, when at 5 time points (0, 3, 7, 30, 60 days) the decomposition rates of the organic matter in the soil were measured by testing CO2 and N2O emissions, and carried out quantification of the bacteria by qPCR, in order to characterize the decomposition of the different treatments in the soil.
The microbial activity (as measured by the CO2 emission values) was measured for the treatment that included PBS with internalized urea particles. The activity values were similar to those of the control group, and even slightly lower, perhaps because the particles used in this experiment were relatively large, and therefore had a large surface area, which reduced the ability to degrade the polymer by the microbiome. The highest activity was observed for PBS with free urea, then emissions also remained high for longer time, and were higher compared to the urea-only group, possibly suggesting that assimilated urea was unavailable to soil microorganisms. However, free urea increased the availability of PBS to soil microorganisms. The work showed that the use of bioplastics does not guarantee decomposition in the soil and it is necessary to continue to investigate what could accelerate the decomposition by the microorganisms.