from 01.01.2024 to 01.01.2026
Arkhangelsk, Arkhangelsk, Russian Federation
UDC 63
This study assessed the rate and extent of biodegradation in soil of cellulose cells intended for industrial seedling cultivation, as an environmentally friendly alternative to plastic cassettes. The experiment utilized two types of cellulose fiber-based compositions embedded in three types of soil substrates (soil from a blueberry spruce forest, compost, and a peat-soil mixture). A gravimetric method was used to determine sample mass loss. The average decomposition rate of the materials was 87 % and 84 % for the two compositions, respectively. Based on the data obtained, the predicted time for complete decomposition is estimated at 57–59 days. The highest degradation rate was recorded in the peat-soil mixture. Statistical analysis confirmed a significant impact of the cellulose composition type on the rate of biodegradation. An experiment using earthworms of the genus Allolobophora as bioindicators revealed no visually observable negative impacts of decomposing materials on soil fauna. The results demonstrate the potential of using biodegradable cellulose cassettes for reforestation as a way to reduce the plastic load on ecosystems.
biodegradable cassettes, cellulosic materials, reforestation, soil substrates, molded pulp
Введение
Искусственное лесовосстановление, являющееся ключевым инструментом воспроизводства ценных лесных ресурсов, в значительной степени зависит от качества посадочного материала. Согласно правилам восстановления лесов в Архангельской области используются сеянцы хвойных пород (сосна и ель), а с 1 марта 2025 года пункт 5 Правил предусматривает, что не менее 30 % площадей искусственного и комбинированного лесовосстановления выполняется посадкой сеянцев и (или) саженцев с закрытой корневой системой. Широко распространенная технология выращивания сеянцев в пластиковых кассетах РКЛ-81 и 100 марки Plantek или BBC приводит к образованию трудноперерабатываемых отходов, поскольку после эксплуатации кассеты направляются на полигоны, становясь источником долговременного загрязнения. Накопление устойчивых к деградации синтетических полимеров в экосистемах представляет собой одну из наиболее острых глобальных экологических проблем [1, 2]. Особую опасность представляет загрязнение почв, где в результате накопления «микропластика» нарушаются физико-химические свойства грунта, ухудшается его структура, что в совокупности негативно влияет на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов [3]. В связи с этим возрастает интерес к альтернативным вариантам, способных устранить озвученную проблему в виде пластикового загрязнения.
Перспективной альтернативой являются биоразлагаемые кассеты (рис. 1), изготовленные по технологии moulded pulp (формования изделий из целлюлозной суспензии) [4, 5]. Основным сырьём, для изготовления кассет служат целлюлозные волокна (первичные и вторичные). В настоящее время в качестве сырья рассматривается побочный продукт (отход) в виде сучковой массы целлюлозно-бумажного производства, который в процессе сульфатной варки не разделился на отдельные волокна.
Главное преимущество кассет заключается в способности к биодеградации в почве, что не только решает проблему загрязнения, но и потенциально может упрощать технологический процесс лесовосстановления путём высадки сеянцев непосредственно в биоразлагаемых ячейках. Объем контейнерного субстрата, помещённого в ячейку, полностью соответствует параметрам стандартизованных пластиковых аналогов, что обеспечивает выращивание сеянца согласно существующим нормативным требованиям. Основная гипотеза данного исследования заключается в том, что замена традиционных пластиковых кассет на биоразлагаемые позволяет сократить использование пластика.
Пилотные опыты промышленного применения таких кассет ведутся на базе лесного селекционно-семеноводческого центра Архангельского ЦБК в г. Новодвинске. Однако для их широкого внедрения в практику искусственного лесовосстановления требуются дополнительные исследования, в первую очередь, направленные на оценку скорости и полноты биодеградации материалов кассет в конкретных почвенно-климатических условиях региона.
|
|
|
Рисунок 1. Внешний вид биоразлагаемой кассеты, изготовленной по технологии moulded pulp Figure 1. Appearance of a biodegradable cassette manufactured using molded pulp technology Источник: собственная фотография авторов Source: the authors' own photograph |
Следует также отметить, что сфера применения биоразлагаемых кассет не ограничивается промышленным лесовосстановлением. Данная технология является актуальной для частного садоводства, питомниководства декоративных культур и агропроизводственных комплексов, где также растет спрос на экологичные и удобные решения для выращивания растений.
Разложение целлюлозных волокон на составляющие представляет собой сложный микробиологический процесс, осуществляемый бактериями и грибами, которые вырабатывают специальные ферменты для их деградации [6, 7]. Процесс включает стадии: деполимеризации, ассимиляции образовавшихся мономеров и олигомеров микробными клетками, а также последующей минерализации [8]. Лигнин, являясь гетерогенным ароматическим полимером, демонстрирует значительно более высокую устойчивость к микробной деградации по сравнению с целлюлозой, что подтверждается исследованиями, показывающими прямую зависимость скорости биодеградации от содержания лигнина в материале [8-10].
На скорость биодеградации целлюлозных материалов влияет комплекс факторов, включая состав целлюлозных волокон [8], массу 1 м2 материала [11,12], влажность почвы [12], температуру [13], аэрацию почвы [14], pH почвы [14] и пр. При этом, наличие поверхностных покрытий в составе материала приводит к замедлению биодеградации [15, 16]. N.B. Erdal и M. Hakkarainen (2022) [14] отмечают, что различные виды целлюлозной продукции (бумаги и картона) демонстрируют резко различную скорость биоразложения в контролируемых условиях. Несмотря на значительное количество научных работ, посвященных биодеградации целлюлозных материалов, специализированные изделия, изготовленные по технологии moulded pulp, остаются с этой точки зрения недостаточно изученными.
Целью настоящего исследования является определение скорости и степени разложения целлюлозных ячеек для лесовосстановления в различных почвенных условиях.
Объекты и методы исследования
Климатические условия Архангельской области относятся к умеренному поясу с морским влиянием. Зимний период характеризуется умеренно низкими температурами, а летний период – умеренно теплыми температурами. Средняя температура воздуха в январе составляет около -12…-14 ˚С, в июле – 16…17 ˚С. Вегетационный период проходит при пониженных температурах воздуха и продолжается около 130 дней: с начала-конца мая и до конца сентября-начала октября.
Исследование проводили в теплице учебно-опытного участка САФУ имени М.В. Ломоносова в течение вегетационного периода. Оценку биодеградации целлюлозных материалов проводили гравиметрическим методом по потере массы образцов после их экспозиции в почве. Методика основана на модификации подхода, используемого в методе аппликационного определения дыхания грунтов [17] в вегетационных сосудах. Отличие заключается в том, что мы не рассматриваем микробиологическую активность грунта, а прямая цель опыта в оценке степени деструкции самого целлюлозного материала. Оптимальные условия для разложения целлюлозы обычно возникают при температуре 25–35 °C и влажности около 60 % от максимальной влагоёмкости [18].
Вегетационный сосуд представляет собой сетчатый ящик, который моделирует шаг посадки 0,7 м и позволяет создать условие, которое обеспечивает полное нахождение образцов в пределах стандартного корнеобитаемого слоя (0...20 см). На такое размещение в полевых условиях приходится 1 целлюлозная ячейка. Почвенный субстрат использовался, с различной исходной микробиологической активностью: почва из-под ельника черничного, компост и торфоземельная смесь, применяемая в городском озеленении с основой из торфа (70 %). Такой выбор был обусловлен следующими факторами. Почва из-под ельника черничного представляет собой наиболее распространенный тип лесных почв в регионе исследования. Компост был включен в эксперимент как широко используемый субстрат в частном садоводстве, что позволяет оценить потенциальное применение биоразлагаемых кассет не только
1. Kibria M., Masuk N., Safayet R., Nguyen H., Mourshed M. Plastic Waste: Challenges and Opportunities to Mitigate Pollution and Effective Management. International Journal of Environmental Research. 2023; 17(20): 1-37. – DOI:https://doi.org/10.1007/s41742-023-00507-z.
2. Yaroslav A.A., Arshakov M.S., Hohlov A.R. Shizneniy chick polymernogo materiaka: problemi i perspectivy [Life cycle of polymeric materials: problems and prospects] // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. 2022; 92: 15-22. – DOI:https://doi.org/10.31857/S086958732201011X.
3. Meera R., Gaurav P., Kumud P., Becky A., Gaurav K., Harikesh S., Vishal T. Microplastic Pollution in Terrestrial Ecosystems and Its Interaction with Other Soil Pollutants: A Potential Threat to Soil Ecosystem Sustainability. Resources, 2023; 12(6): 67. – DOI:https://doi.org/10.3390/resources12060067.
4. Mrittika D., Roman S., Lokendra P., Martin H. Molded Pulp Products for Sustainable Packaging: Production Rate Challenges and Product Opportunities. BioResources. 2022; 17(2): 3810-3870. – DOI:https://doi.org/10.15376/biores.17.2.Debnath.
5. Zhang Y., Duan C., Bokka S. K., He Z. Molded fiber and pulp products as green and sustainable alternatives to plastics: A mini review. Journal of Bioresources and Bioproducts. 2022; 7(1): 16-19. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.jobab.2021.10.003.
6. Joines M., Akpan S., Ibuot A. Bioconversion of waste paper into soil conditioner and its effect on plants growth and microbial population of the soil. World Journal of Advanced Research and Reviews. 2020; 07(01): 227-233. – DOI:https://doi.org/10.30574/wjarr.2020.7.1.0233.
7. Santos J., Noletto A., Azeredo H., Carvalho R., Silva C., Yoshida C. Bio-based multilayer paperboard for sustainable packaging application. Journal of Applied Polymer Science. 2023; 140: 37. – DOI:https://doi.org/10.1002/app.54415.
8. Vikman M., Mikkelson A., Rautkoski H. The impact of lignin content on the biodegradation of virgin paper pulps in soil and marine environment. BioResources. 2024; 19(2): 2452-2465. – DOI:https://doi.org/10.15376/biores.19.2.2452-2465.
9. Stocker C.W., Wong V.N.L., Patti A.F., Garnier G. Effect of lignin in cellulose nanofibers on biodegradation and seed germination. Chemical and Biological Technologies in Agriculture. 2024; 11(15): 1-11. –DOI:https://doi.org/10.1186/s40538-023-00528-y.
10. Kwon S., Meza L., Pawlak J., Venditti R. Effect of paper-making additives on biodegradation of lignocellulosic fibers. BioResources. 2024; 19(4): 8028-8043. – DOI:https://doi.org/10.15376/biores.19.4.8028-8043.
11. Hubbe M., Daystar J., Venditti R., Pawlak J., Zambrano M., Barlaz M., Ankeny M., Pires S. Biodegradability of cellulose fibers, films, and particles: a review. BioResources. 2025; 20: 2391-2458. – DOI:https://doi.org/10.15376/biores.20.1.Hubbe.
12. Ibzhanova A., Niyazbekova R., Azzam K., Negim E., Serekpayeva M., Akibekov O. Biodegradability of Non-wood Packaging Paper. Egyptian Journal of Chemistry. 2022; 65: 131-139. – DOI:https://doi.org/10.21608/EJCHEM.2022.110548.5033.
13. Poluszyńska J., Ciesielczuk T., Biernacki M., Paciorkowski M. The effect of temperature on the biodegradation of different types of packaging materials under test conditions. Journal article. 2021; 47: 1-10. – DOI:https://doi.org/10.24425/aep.2021.139503.
14. Erdal N., Hakkarainen M. Degradation of Cellulose Derivatives in Laboratory, Man-Made, and Natural Environments. Biomacromolecules. 2022; 23: 2713-2729. – DOI:https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c00336.
15. Dolci G., Intilisano M., Fava F., Venturelli V., Malpei F., Grosso M. Degradation of paper-based boxes for food delivery in composting and anaerobic digestion tests. Bioresource Technology. 2024; 408: 131212. – DOI:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131212.
16. Somsesta N., Chamamporn C., Wongsopanakun N., Sonaka P., Hongrattanavichit I. Surface-coated paper packaging with nanocellulose modified with quaternary ammonium organosilane and precipitated calcium carbonate for improved water repellency and antibacterial activity. Scientific Reports. 2025; 15(1): 25723. – DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-025-10306-5.
17. Dzyin A. G. Vliyanyie solomy v sochetanyi s mineralnymi, jrganycheskimi I sideralnyami ydobreniyami na biologycheskyu aktivnost pochvy [The influence of straw in combination with mineral, organic and green manure fertilizers on the biological activity of the soil]. Agrochemistry. 2022; 72-79. (In Russ). DOI:https://doi.org/10.31857/S0002188122110059.
18. Amuah E., Fei-Baffoe B., Sackey L., Douti N., Kazapoe R. A review of the principles of composting: understanding the processes, methods, merits, and demerits. Organic Agriculture. 2022; 12: 547-562. – DOI:https://doi.org/10.1007/s13165-022-00408-z.
19. Juanga-Labayen J., Yuan Q. Making Biodegradable Seedling Pots from Textile and Paper Waste—Part B: Development and Evaluation of Seedling Pots. Journal Environ Res Public Health. 2021; 18(14): 7609. – DOI:https://doi.org/10.3390/ijerph18147609.
20. Drochkova A.A. Primenenie ekologycheski bezopasnyh preparatov dlya stimylyachii vshoshesti semyan I rosta seyanchev Pinus sylvestris L [Use of environmentally friendly preparations to stimulate seed germination and growth of Pinus sylvestris L seedlings]: specialty 4.1.6 «Forestry, silviculture, forest crops, agroforestry, landscaping, forest pyrology and taxation» : dissertation for the degree of candidate of agricultural sciences / Drochkova Anna Alekseevna; Northern Arctic Federal University named after M.V. Lomonosov. – Arkhangelsk, 2025. – 123 p. – Bibliography: p. 90-108. – Text: direct.
