Long-term influence of soil environment conditions on the structure and selected properties of PLA packaging

• Autorzy: Malinowski Rafał , Musioł Marta , Moraczewski Krzysztof , Krasinskyi Volodymyr , Szymańska Lauren , Bajer Krzysztof

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2023.147333

Warianty tytułu

PL

Długoterminowy wpływ warunków środowiska glebowego na strukturę i wybrane właściwości opakowań z PLA

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Studies on packaging made of polylactide (PLA) subjected to long-term influence of soil environment conditions have been presented in this paper. The scientific objective of this study was to determine changes in selected properties of the PLA packaging after long-term incubation in soil. These changes were investigated by scanning electron microscopy, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, and gel permeation chromatography. The structure, thermal properties, and disintegration degree of the packaging after their three-year incubation in soil have been discussed. It was found that the PLA packaging did not disintegrate significantly in the soil environment, and slight changes in their structure and lack of significant changes in thermal properties indicate that the efficiency of their degradation in soil conditions after three years is very low. This was mainly due to inadequate temperatures in the soil. It was also found (based on the results of scanning electron microscopy and gel permeation chromatography) that initiation of the biodegradation process took place and that this process is much faster than in the case of conventional non-biodegradable polymers. The results are confirmation that materials obtained of various biodegradable polymers (not only PLA) should be biodegradable only under strictly defined conditions, allocated to a specific type of polymer, i.e. those in which they are easily and quickly biodegradable.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań opakowań otrzymanych z polilaktydu (PLA), które poddane zostały długotrwałemu oddziaływaniu warunków środowiska glebowego. Celem naukowym badań było określenie zmian wybranych właściwości opakowań z PLA po długotrwałej inkubacji w glebie. Zmiany te badano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, różnicowej kalorymetrii skaningowej, analizy termograwimetrycznej, a także chromatografii żelowej. Dokonano analizy struktury, właściwości cieplnych oraz stopnia dezintegracji opakowań po trzyletniej inkubacji w glebie. Stwierdzono, że opakowania wytworzone z PLA nie ulegały znacznemu rozpadowi w środowisku glebowym, a niewielkie zmiany obserwowane w ich strukturze i brak istotnych zmian właściwości cieplnych wskazują, że efektywność ich degradacji w warunkach glebowych po trzech latach jest bardzo niska. Było to spowodowane głównie niedostateczną temperaturą w glebie. Stwierdzono również (na podstawie wyników skaningowej mikroskopii elektronowej i chromatografii żelowej), że miała miejsce inicjacja procesu biodegradacji, a także, że proces ten jest znacznie szybszy niż w przypadku klasycznych polimerów niebiodegradowalnych. Otrzymane rezultaty badań wskazują na to, że materiały wytwarzane różnych rodzajów polimerów biodegradowalnych (nie tylko PLA) powinny być poddawane procesowi biodegradacji wyłącznie w ściśle określonych warunkach, dedykowanych dla danego rodzaju polimeru, tzn. takich w których łatwo i szybko ulegną one rozkładowi biologicznemu.

Słowa kluczowe

EN

biodegradation; soil environment; polylactide; molecular weight; PLA packaging; polylactide packaging

PL

biodegradacja; gleba; poliaktyd; opakowania; polimery biodegradowalne; środowisko glebowe

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 49, no 3
• Strony: 107--114
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Malinowski Rafał

• Łukasiewicz Research Network – Institute for Engineering of Polymer Materials and Dyes, Toruń, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7762-5875

autor

Musioł Marta

• Centre of Polymer and Carbon Materials, Polish Academy of Sciences, Zabrze, Poland

autor

Moraczewski Krzysztof

•  Kazimierz Wielki University, Faculty of Materials Engineering, Bydgoszcz, Poland

autor

Krasinskyi Volodymyr

• Łukasiewicz Research Network – Institute for Engineering of Polymer Materials and Dyes, Toruń, Poland

autor

Szymańska Lauren

• Łukasiewicz Research Network – Institute for Engineering of Polymer Materials and Dyes, Toruń, Poland

autor

Bajer Krzysztof

• Łukasiewicz Research Network – Institute for Engineering of Polymer Materials and Dyes, Toruń, Poland

Bibliografia

• 1. Adhikari, D., Mukai, M., Kubota, K., Kai, T., Kaneko, N., Araki, K.S. & Kubo, M. (2016). Degradation of Bioplastics in Soil and Their Degradation Effects on Environmental Microorganisms, Journal of Agricultural Chemistry and Environment, 5, pp. 23-34. DOI:10.4236/jacen.2016.51003
• 2. Ahmed, J. & Varshney, S.K. (2011). Polylactides – Chemistry, Properties and Green Packaging Technology: A Review, International Journal of Food Properties, 14, pp. 37-58. DOI:10.1080/10942910903125284
• 3. Bhagwat, G., Gray, K., Wilson, S.P., Muniyasamy, S., Vincent, S.G.T., Bush, R. & Palanisami, T. (2020). Benchmarking Bioplastics: A Natural Step Towards a Sustainable Future, Journal of Polymers and the Environment, 28, pp. 3055-3075. DOI:10.1007/s10924-020-01830-8
• 4. Deroiné, M., Le Duigou, A., Corre, Y.M., Le, Gac, P.Y., Davies, P., César, G. & Bruzaud, S. (2014). Accelerated ageing of polylactide in aqueous environments: Comparative study between distilled water and seawater, Polymer Degradation and Stability, 108, pp. 319-329. DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2014.01.020
• 5. Dintcheva, N.T., Al-Malaika, S., Morici, E. & Arrigo, R. (2017). Thermo-oxidative stabilization of poly(lactic acid)-based nanocomposites through the incorporation of clay with in-built antioxidant activity, Journal of Applied Polymer Science, 134, pp. 44974-44986. DOI:10.1002/app.44974
• 6. Donghee, K., Yoshito, A., Yoshihito, S. & Haruo, N. (2011). Biomass-based composites from poly(lactic acid) and wood flour by vapor-phase assisted surface polymerization, ACS Applied Materials & Interfaces, 3, pp. 385-391. DOI:10.1021/am1009953
• 7. Fischer, E.W., Sterzel, H.J. & Wegner, G. (1973). Investigation of the structure of solution grown crystals of lactide copolymers by means of chemical reactions, Colloid and Polymer Science, 251, pp. 980-990. DOI:10.1007/BF01498927
• 8. Itavaara, M., Karjomaa, S. & Selin, J.F. (2002). Biodegradation of polylactide in aerobic and anaerobic thermophilic conditions, Chemosphere, 46, pp. 879-885. DOI:10.1016/s0045-6535(01)00163-1
• 9. Janczak, K., Dąbrowska, G.B., Raszkowska-Kaczor., A., Kaczor, D., Hrynkiewicz, K. & Richert, A. (2020). Biodegradation of the plastics PLA and PET in cultivated soil with the participation of microorganisms and plants, International Biodeterioration & Biodegradation, 155, 105087. DOI:10.1016/j.ibiod.2020.105087
• 10. John, R.P., Nampoothiri, K.M. & Pandey, A. (2007). Fermentative production of lactic acid from biomass: an overview on process developments and future perspectives, Applied Microbiology and Biotechnology, 74, pp. 524-534. DOI:10.1007/s00253-006-0779-6
• 11. Kale, G., Auras, R. & Singh, S.P. (2007). Comparison of the degradability of poly (lactide ) packages in composting and ambient exposure conditions, Packaging Technology & Science, 20, pp. 49-70. DOI:10.1002/pts.742
• 12. Kamiya, M., Asakawa, S. & Kimura, M. (2007). Molecular Analysis of Fungal Communities of Biodegradable Plastics in Two Japanese Soils, Soil Science and Plant Nutrition, 53, pp. 568-574. DOI:10.1111/j.1747-0765.2007.00169.x
• 13. Kim, M.N., Kim, W.G., Weon, H.Y. & Lee, S.H. (2008). Poly(L-Lactide)-Degrading Activity of a Newly Isolated Bacterium, Journal of Applied Polymer Science, 109, pp. 234-239. DOI:10.1002/app.26658
• 14. Kim, D.Y. & Rhee, Y.H. (2003). Biodegradation of Microbial and Synthetic Polyesters by Fungi, Applied Microbiology and Biotechonology, 61, pp. 300-308. DOI:10.1007/s00253-002-1205-3
• 15. Lee, S.H. & Kim, M.N. (2010). Isolation of Bacteria Degrading Poly(butylenes succinate-co-butylene adipate) and Their lip A Gene, International Biodeterioration and Biodegradation, 64, pp. 184-190. DOI:10.1016/j.ibiod.2010.01.002
• 16. Mehlika, K., Ashley, H. & Geoffrey, D.R. (2014). Isolation and characterisation of fungal communities associated with degradation and growth on the surface of poly(lactic) acid (PLA) in soil and compost, International Biodeterioration & Biodegradation, 95, pp. 301-310. DOI:10.1016/j.ibiod.2014.09.006
• 17. Nakamura, K., Tomita, T., Abe, N. & Kamio, Y. (2001). Purification and Characterization of an Extracellular Poly(L-Lactic Acid) Depolymerase from a Soil Isolate, Amycolatopsis sp. Strain K104-1, Applied Environmental Microbiology, 67, pp. 345-353. DOI:10.1128/aem.67.1.345-353.2001
• 18. PlasticsEurope (2022). Plastics – the Facts 2022, (https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-facts-2022/ (11.01.2023))
• 19. Poluszyńska, J., Ciesielczuk, T., Biernacki, M. & Paciorkowski, M. (2021). The effect of temperature on the biodegradation of different types of packaging materials under test conditions, Archives of Environmental Protection, 47, pp. 74-83. DOI:10.24425/aep.2021.139503
• 20. Saadi, Z., Rasmont, A., Cesar, G., Bewa, H. & Benguigui, L. (2012). Fungal degradation of poly(l-lactide) in soil and in compost, Journal of Polymers and the Environment, 20, pp. 273-282. DOI:10.1007/s10924-011-0399-9
• 21. Sarasua, J.R., Prud’Homme, R.E., Wisniewski, M., Le Borgne, A. & Spassky, N. (1998). Crystallization and Melting Behavior of Polylactides. Macromolecules, 31, pp. 3895-3905. DOI:10.1021/ma971545p
• 22. Satti, S.M., Shah, A.A., Marsh, T.L. & Auras, R. (2018). Biodegradation of Poly(lactic acid) in Soil Microcosms at Ambient Temperature: Evaluation of Natural Attenuation, Bio-augmentation and Bio-stimulation, Journal of Polymers and the Environment, 26, pp. 3848-3857. DOI:10.1007/s10924-018-1264-x
• 23. Shah, A.A., Hasan, F., Hameed, A. & Ahmed, S. (2008). Biological Degradation of Plastics: A Comprehensive Review, Biotechnology Advances, 26, pp. 246-265. DOI:10.1016/j.biotechadv.2007.12.005
• 24. Siparsky, G.L., Voorhees, K.J., Dorgan, J.R. & Schilling, K. (1997). Water transport in polylactic acid (PLA), PLA/polycaprolactone copolymers, and PLA/polyethylene glycol blends, Journal of Environmental Polymer Degradation, 5, pp. 125-136. DOI:10.1007/BF02763656
• 25. Södergard, A., Selin, J.F. & Näsman, J.H. (1996). Hydrolytic degradation of peroxide modified poly(L-lactide), Polymer Degradation and Stability, 51, pp. 351-359. DOI:10.1016/0141-3910(95)00271-5
• 26. Sterzyński, T. (2000). Processing and property improvement in isotactic polypropylene by heterogeneous nucleation, Polimery, 45, pp. 786-791.
• 27. Teeraphatpornchai, T., Nakajima-Kambe, T., Shigeno-Akutsu, Y., Nakayama, M., Nomura, N., Nakahara, T. & Uchiyama, H. (2003). Isolation and Characterization of a Bacterium That Degrades Various Polyester-Based Biodegradable Plastics, Biotechnology Letters, 25, pp. 23-28. DOI:10.1023/A:1021713711160
• 28. Tsuji, H., Tezuka, Y., Saha, S.K., Suzuki, M. & Itsuno, S. (2005). Spherulite growth of l-lactide copolymers: Effects of tacticity and comonomers, Polymer, 46, pp. 4917-4927. DOI:10.1016/j.polymer.2005.03.069
• 29. Weir, N.A., Buchanan, F.J., Orr, J.F., Farrar, D.F. & Dickson, G.R. (2004). Degradation of poly-L-lactide. Part 2: increased temperature accelerated degradation, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 218, pp. 321-330. DOI:10.1243/0954411041932809
• 30. Żenkiewicz, M., Malinowski, R., Rytlewski, P., Richert, A., Sikorska, W. & Krasowska, K. (2012). Some composting and biodegradation effects of physically or chemically crosslinked poly (lactic acid), Polymer Testing, 31, pp. 83-92. DOI:10.1016/j.polymertesting.2011.09.012

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).