Incidence of the presence of plastics on earthworms: effects on vermicomposting processes

Abstract

En todo el mundo se producen anualmente unos 360 millones de toneladas de plástico, de las cuales en torno al 40% se consume en el sector de envasado de alimentos y el 3,5% directamente en agricultura. En la actualidad, sólo se recicla algo más del 30% de los residuos plásticos generados en la UE, mientras que el resto se incinera, se deposita en vertederos o se libera al medio ambiente. La gestión de estos plásticos al final de su vida útil supone un reto medioambiental en el sector agroalimentario, ya que es frecuente su recuperación incompleta tras la temporada de cultivo, lo cual conduce a la acumulación de restos de plásticos en los residuos orgánicos. A pesar de ello, el efecto de estos restos plásticos en los residuos orgánicos sometidos a diferentes biotratamientos ha sido poco estudiado. Uno de los biotratamientos más adecuados para generar y transformar residuos orgánicos de forma sostenible es el vermicompostaje. Está técnica de bajo coste es empleada para producir actualmente biofertilizantes, siendo la presencia de plástico en los flujos orgánicos a circularizar un problema creciente. El objetivo de esta tesis doctoral fue estudiar el efecto que causaba la presencia de agroplásticos al proceso de vermicompostaje, utilizando lombrices de tierra de la especie Eisenia fetida. Primero se realizó una caracterización de los plásticos más empleados en la Agroindustria y se propusieron diferentes pretratamientos abióticos (térmicos, fotoxidación, químicos y técnica e-beam) de los plásticos, que simulaban su degradación o envejecimiento en el medioambiente. Posteriormente se ensayó el efecto que causaba la presencia de agroplásticos en un proceso de vermicompostaje a escala microcosmos. Se determinó tanto el efecto que causaba a nivel fisiológico en los individuos de E. fetida (cambios morfológicos y de estrés oxidativo), así como los cambios en las características y calidad del biofertilizante obtenido. También se identificó, extrajo y produjo consorcios microbianos que vivían en este tipo de ambientes contaminados. Se utilizan consorcios microbianos con capacidad de degradar polímeros (EXO-PMC) así como los procedentes del tracto digestivo de E. fetida expuesta a agroplásticos (ENDO-PMC) con capacidad probiótica. Por último, se desarrolló un ensayo de exposición a agroplásticos mediante un proceso de vermicompostaje a escala de mesocosmos, pero con la adición de consorcios EXO and ENDO-PMC para comprobar si estos microrganismos beneficiosos eran capaces de fortificar y mejorar las capacidades de las lombrices de tierra y del proceso, en presencia de agroplásticos. Los resultados obtenidos mostraban como los agroplásticos sometidos a los diferentes pretratamientos realizados presentaban cambios estructurales, con aparición de grupos carboxilo e introducción de oxígeno en su cadena. En los ensayos de exposición, los agroplásticos causaron un efecto negativo sobre E. fetida a diferentes niveles, con pérdida de peso corporal, síntomas de estrés oxidativo y/o neurotoxicidad e incluso mortalidad de algunos individuos a más largo plazo, además se detectaron cambios en la calidad y el contenido NPK del vermicompost obtenido (destacando el LDPE + LLDPE, PET y PS). La aplicación de los PMC, produjeron una mejora significativa en las capacidades de E. fetida para soportar el efecto negativo que causa la presencia de agroplásticos y se obtuvieron biofertilizantes de mayor calidad

Worldwide, approximately 360 million tonnes of plastic are produced annually, with approximately 40% used in the food packaging sector and 3.5% in the agricultural sector. Nowadays, just over 30% of the plastic waste generated in the European Union is recycled, while the remainder end up in landfills, is either incinerated, or released into the environment. Their end-of-life management constitutes an environmental challenge in agri-food sector due to usual incomplete recovery after the crop season, with the subsequent accumulation of plastic waste in organic waste. Despite this, the impact of these plastic debris in organic waste subjected to various biotreatments remain unexplored. One of the most suitable biotreatments for valorization and stabilization of organic waste is vermicomposting process. This cost-effective technique is increasingly used to design and produce bio-based fertilizers. The aim of this doctoral thesis was to investigate the potential impact induced from the presence of Agri-food waste plastics (AWP) in the vermicomposting process, carried out by earthworms of the species Eisenia fetida. Initially, a characterization of the most commonly used plastics in the agri-food sector was conducted, and several abiotic pre-treatments (thermal, photo-oxidation, chemical, and e-beam) for the plastics were carried out in order to simulate their degradation or aging in the environment. Subsequently, the impact derived from the presence of AWP in a vermicomposting process at the microcosm scale also was examined. The study assessed the physiological effects on E. fetida individuals, including morphological changes and biomarkers of oxidative stress, as well as the change in the characteristics and quality of the biofertilizer obtained. Microbial consortia were identified, isolated, and cultured from contaminated environments. Microbial consortia with polymer-degrading capabilities (EXO-PMC) and from the gut-microbiome of E. fetida exposed to AWP (ENDO-PMC) with probiotic capacities were used. Subsequently, an AWP exposure bioassay was developed using a mesocosm-scale vermicomposting process, inoculated with EXO and ENDO-PMC to assess the performance of beneficial microorganisms in producing fortified earthworms, improve their capabilities, and enhance the process in the presence of AWP. The results obtained revealed structural changes in AWP subjected to several pre-treatments, including the increasing presence of carboxyl groups and the introduction of more oxygen atoms into the polymer chain. In the exposure bioassay, the presence of AWP induced negative effects on E. fetida as evidenced the body weight loss, oxidative stress and/or neurotoxicity, and even mortality of some individuals in long-term experiments. Additionally, changes were observed in the quality and NPK content of the vermicompost obtained, with notable effects on LDPE + LLDPE, PET, and PS. The application of PMCs resulted in a significant improvement in the ability of E. fetida to alleviated the negative effects caused by the presence of AWP, leading to the production of higher quality biofertilizers