Fate of biodegradable mulch films in Swiss agricultural soils

• Research unit: FOAG
• Project number: 19.32

Key words (German)

bioabbaubare Mulchfolien, mikrobieller Abbau, Dissipation, Mikroorganismen, Feldstudien

Key words (English)

biodegradable mulch films, microbial degradation, dissipation, microorganisms, field studies

Key words (French)

films de paillage biodégradables, dégradation microbienne, dissipation, microorganismes, études de terrain

Key words (Italian)

Film pacciamanti biodegradabili, degradazione microbica, dissipazione, microrganismi, studi sul campo

Short description (German)

Biologisch abbaubare Mulchfolien (BDMF), bestehend aus den synthetischen Polyestern Polybutylen-Adipat-Coterephthalat (PBAT) und Polymilchsäure (PLA), werden in der Schweizer Landwirtschaft stark eingesetzt. Nach Gebrauch werden diese Folien in Böden gepflügt, die von Mikroorganismen mineralisiert werden. Derzeit liegen jedoch keine Daten über den biologischen Abbau von BDMF im Boden unter Feldbedingungen vor, so dass der biologische Abbau möglicherweise viel langsamer verläuft als in Laborinkubationen vorhergesagt.
In dieser Forschung wird eine Finanzierung für einen Doktoranden angestrebt, um wesentliche offene Forschungsfragen und erhebliche Wissensdefizite im Zusammenhang mit dem Schicksal des BDMF in Feldböden anzugehen. Die vorgeschlagene Forschung wird erste zuverlässige experimentelle Daten über die Biodegradationsdynamik der in der Schweiz kommerziell erhältlichen grossen BDMF liefern.
Zu diesem Zweck werden langfristige Bodeninkubationen des BDMF unter Feldbedingungen, in Treibhaus-Mesokosmen, durchgeführt. Im Labor wird mit periodischer Quantifizierung der Restbelastung durch PBAT und PLA durchgeführt. Diese Inkubationen werden ergänzt durch die Quantifizierung von PBAT und PLA aus Filmen im Feld. Böden auf einem Bauernhof im Kanton Zürich, der seit drei Jahren BDMF einsetzt. Zusätzlich zur Quantifizierung von PBAT und PLA in Böden werden im Rahmen des Projekts mulchfolien induzierte Veränderungen in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft im Boden sowohl im Massenboden (zur Beurteilung der Auswirkungen auf das Bodenmikrobiom) als auch auf den Filmoberflächen (zur Charakterisierung mikrobieller BDMF-Abbauprodukte) untersucht. Die Projektergebnisse informieren Landwirte, Behörden und Aufsichtsbehörden über eine nachhaltige Nutzung des BDMF in der Schweizer Landwirtschaft.

Short description (English)

Biodegradable mulch films (BDMF), composed of the synthetic polyesters polybutylene adipate-coterephthalate (PBAT) and polylactic acid (PLA), are heavily used in Swiss agriculture. After use, these films are ploughed into soils to be mineralized by microorganisms. Yet, there is currently no data on the biodegradation of BDMF in soil under field conditions, leaving the possibility that biodegradation is much slower than predicted by laboratory incubations.
This proposal seeks funding for one PhD student to address essential open research questions and significant knowledge deficits related to the fate of BDMF in field soils. The proposed research will provide first reliable experimental data on the biodegradation dynamics of the major BDMF commercially available in Switzerland.
To this end, long-term soil incubations of BDMF under field conditions, in greenhouse mesocosms and in the laboratory will be conducted with periodic quantification of residual PBAT and PLA in soil. These incubations will be complemented by quantifying film-derived PBAT and PLA in field soils at a farm in the Kanton Zurich, which has been using BDMF for now three years. In addition to quantifying PBAT and PLA in soils, the project will assess mulch-film induced changes in the soil microbial community composition, both in bulk soil (to assess effects on the soil microbiome) and on the film surfaces (to characterize microbial BDMF degraders). The project results will inform farmers, authorities and regulators on a sustainable use of BDMF in Swiss agriculture.

Project aims (English)

The fate of commercial BDMF in agricultural soils in the field remains poorly studied and understood, despite that fact that these films are already being applied in practice and at a large scale transferred into soils. We identified the following three major research questions:

Question 1: What are the dynamics of mulch film biodegradation (both in terms of rates and extents) in field soils and how do these dynamics compare to those measured in mesocosm and laboratory incubations?
Question 2: What are the actual concentrations of BDMF-derived polyesters in agricultural soils following repeated, multi-year application of BDMF?
Question 3: Do BDMF in soils affect the bulk soil microbial community composition and what are the microbial consortia that establish on the film surfaces?

This proposal seeks funding to provide answers to these three research questions through experimental investigations that are outlined in the methods section below. Answering the research questions will advance a detailed understanding of the fate of BDMF in agricultural field soils and, thereby, provide the basis to give recommendations and advice to Swiss farmers on the use of biodegradable mulch films. The proposed work will also give insight into whether and how these materials should be regulated.