Hajoaako vai ei? Pohjoiset olosuhteet haastavat biohajoavat muovit 

Muovijätteen aiheuttaman ympäristökriisin ratkaisemiseksi pyritään kehittämään materiaaleja, jotka hajoaisivat suhteellisen nopeasti luonnossa. Muovi hajoaa luonnossa monin eri tavoin, mutta sen lopullisen biohajotuksen hoitaa mikrobit.

Tässä prosessissa mikrobit muuttavat osan hiilestä hiilidioksidiksi hyödynnettyään sitä ensin energiana. Tätä kutsutaan mineralisaatioksi. Toisaalta mikrobit hyödyntävät muovin hiiltä myös kasvuunsa, eli osa muovin hiilestä päätyy myös mikrobien soluihin. 

Yksinkertaistetusti sanottuna mikrobit mineralisoivat suurimman osan nopeasti hajoavien materiaalien, kuten puiden lehtien, hiilestä. Toisaalta mikrobit näyttävät hyödyntävän suuren osan hitaasti hajoavien materiaalien, kuten muovien, hiilestä rakennusaineenaan.

Mistä tiedämme, onko muovin oikeasti muuttunut hiilidioksidiksi vai vain pilkkoutunut mikromuoviksi?

Myös luonnon omissa yhdisteissä on eroja biohajoamisen nopeudessa. Hitaasti hajoavien yhdisteiden kuten ligniinin hajoamista edistää, jos mikrobeille on saatavilla samanaikaisesti muita, helpommin hyödynnettäviä yhdisteitä.

Sama pätee muoveihin. Vesistöön päätynyt muovi voi hajota nopeammin, jos vedessä on hankalasti hajotettavan muovin lisäksi helpommin hajotettavia orgaanisia yhdisteitä kuten hiilihydraatteja. Erityisesti vesiympäristöissä bakteeriyhteisön rakenne vaikuttaa materiaalien hajoamiseen. Esimerkiksi Burkholderiaceae-luokkaan kuuluvat bakteerit on yhdistetty niin tavallisten, biopohjaisten kuin biohajoavien muovien hajoamiseen.

Biohajoamista tapahtuu kaikkina vuodenaikoina, myös talvella.

Hajoamisen nopeuteen vaikuttaa voimakkaasti ympäristön lämpötila ja vesiympäristöissä veden lämpötila, joka ylittää +20°C kesällä vain lyhyen aikaa. Tutkimuksemme Jyväskylän yliopistossa ovat osoittaneet, että puiden lehtien ja muovien hajoamisnopeus on kolme kertaa nopeampaa kesällä kuin syksyllä, talvella tai keväällä. Biohajoamista tapahtuu kuitenkin kaikkina vuodenaikoina, myös talvella.

Auringon ultraviolettisäteily edistää muovien hajoamista

Muovien biologista hajoamista edeltää kemiallinen initiaatio eli materiaalin pinnan kemiallisten sidosten muuttuminen niin, että mikrobit saavat materiaalista otteen, ja voivat alkaa nakertamaan sitä. Muovien kohdalla kaksi tärkeintä biohajoamista laukaisevaa tekijää ovat lämpötila ja UV-säteily. 

Teollisissa ja kotikomposteissa lämpötilan nousu hoitaa homman, kun taas vesiympäristöissä UV-säteily on tärkeä tekijä. UV-säteilyn on arvioitu jopa puolittavan muovipullojen hajoamisajan meriympäristöissä.

UV-säteilyn määrä on luonnollisesti suurinta ranta- ja pintavesissä. Yhden suomalaisen kesän simuloitu säteilyannostus vaikuttaa riittävän kemialliseen initiaatioon ja parantavan mikrobien kykyä hajottaa perinteisiä ja biohajoavia muoveja järvi- ja murtovedessä.

Muovin biohajoaminen on nopeampaa tummissa vesistöissä

Veden ravinteisuus ja suolaisuus vaikuttavat muovien hajoamisnopeuteen suoraan mutta myös vaikuttamalla mikrobiyhteisön rakenteeseen.

Erilaisten muovimateriaalien hajoamisnopeudet ovat suurempia tummissa kuin kirkkaissa vesissä. Tähän liittyy erityisesti kaksi tekijää: mikrobiyhteisön rakenne ja saatavilla olevien orgaanisten yhdisteiden määrä.

Mikrobit ovat tottuneet hajottamaan vaikeasti hajoavia yhdisteitä, kuten ligniiniä, tummavetisissä järvissä ja lampareissa, joissa helposti hajoavia yhdisteitä ei ole välttämättä paljoa tarjolla. Tämän takia myös muovit voivat hajota nopeammin tummissa lampareissa, kuin kirkkaissa järvissä. Biohajoavat muovit saattavat kuitenkin hajota nopeasti monenlaisissa vesistöissä.

Vaikuttavia tekijöitä erilaisten muovimateriaalien hajoamiseen luonnossa on siis useita, mikä tekee hajoamisnopeuksien tutkimisesta monimutkaista, etenkin pohjoisella pallonpuoliskolla.

Hajoaako muovi hiilidioksidiksi vai pilkkoutuuko haitalliseksi mikromuoviksi?

Mistä tiedämme, onko muovin oikeasti muuttunut hiilidioksidiksi ja erilaisiksi biomolekyyleiksi vai vain pilkkoutunut pienemmiksi mikro- ja nanomuovipartikkeleiksi?  Standardoidut menetelmät kenttä- ja laboratorio-olosuhteisiin perustuvat pitkälti hajoamisen testaamiseen meriympäristössä tai jätevesilietteen mikrobiyhteisön hyödyntämiseen.

Standardimenetelmät eivät juurikaan huomioi lämpötilan vaikutusta muovin hajoamiseen vesistöissä. Niissä ei myöskään testata UV-säteilyn vaikutusta. Siksi ei tulisi tehdä liian pikaisia johtopäätöksiä materiaalin hajoamattomuudesta luonnossa pelkkien standarditestien perusteella.

Esimerkiksi jos muovikelmua ei altisteta UV-säteilylle, saattaa olla, että mikrobien hajoamisprosessi ei pääse käyntiin ollenkaan.

Hiilidioksidin määrä biohajoavuuden mittarina sisältää epävarmuuksia

Muovin biohajoavuutta voidaan testata mittaamalla hiilidioksidin tuottoa tai muovifilmin massan muutosta ajan suhteen. Molempiin menetelmiin liittyy kuitenkin epävarmuuksia. Muovifilmin massan väheneminen laboratorio- tai kenttäoloissa kertoo suoraan, että materiaali on hajonnut, mutta ei pois sulje mikromuovin muodostumista. Tämän vuoksi laboratorio-olosuhteissa olisikin hyvä tarkistaa mahdollisten mikromuovien muodostuminen.

Hiilidioksidin tuoton mittaamisessa oletetaan, että mikrobit hyödyntävät materiaalin energiana eikä biomolekyylien tekemiseen eli solujen kasvuun, mikä ei pidä paikkaansa edes helposti hajoavien luonnon materiaalien kohdalla. Tämä on todistettu tutkimalla hajoamista äärimmäisen tarkalla menetelmällä, jossa materiaalin hiili on korvattu ¹³C-leimatulla hiilellä.

Tällaista hiiltä esiintyy luonnossa hyvin vähän ja siksi sitä hyödyntämällä on mahdollista seurata materiaalin hajoamista tarkasti. Menetelmä paljastaa hiilen reitin. Tällaiset vakailla isotoopeilla tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että mikrobit hengittivät noin 90 prosenttia puiden lehtien hiilestä hiilidioksidina ja käyttivät loput 10 prosenttia kasvuun. Ligniinin osalta mikrobit hengittivät 35 prosenttia hiilestä ja käyttivät kasvuun noin 65 prosenttia siitä. Polystyreenin hajottamisessa vastaavat luvut olivat noin 15 prosenttia ja 85 prosenttia.

Toinen hiilidioksidin tuoton mittaamiseen liittyvä ongelma koskee taustan vähentämistä, sillä menetelmässä oletetaan materiaalin lisäävän hiilidioksidin tuottoa suhteessa taustaan. Mikrobit voivat olla kuitenkin joustavia ja muuttaa hiilenlähdettään. Kenties jotkut bakteerit hyödyntävät biohajoavaa muovia tehokkaasti energiakseen, tai vaihtoehtoisesti hylkivät niitä. Todellisuus on standardeja monimutkaisempaa.

Tutkimuksemme osoittaa, että arviot hajoamisesta muuttuvat hurjasti sen mukaan, huomioidaanko taustahengitystä vai ei. Selvää on kuitenkin se, että massan muutos kertoo potentiaalisesta hajoamisesta, jonka tueksi olisi hyvä saada tietoa myös hiilen kohtalosta esimerkiksi vakaiden isotooppien avulla.

Taulukko 1. Arvioitu biohajoaminen kuukautta kohti (n=5) ja värikoodattu merkintä mahdollisesta biologisesta hajoamisesta kahden vuoden aikana Itämeren ja tumman järven vedessä. Menetelmissä verrattiin biofilmin massan muutosta ja hiilidioksidin tuotantoa (kokonaismäärä). Värit osoittavat arvioidun hajoamisen kahden vuoden aikana olettaen, että kuukausittainen hajoamisnopeus on vakio: vihreä = täydellinen (≥90 %) hajoaminen kaikissa toistokokeissa, keltainen = yksi (vaaleankeltainen) tai useampi toistokoe viidestä saavutti täydellisen hajoamisen ja valkoinen = yksikään toistokoe ei saavuttanut täydellistä hajoamista kahden vuoden aikana. (toim. huom. saavutettavuussyistä selitteessä ilmaistuja värejä ei kyetä esittää verkkosivun taulukossa alla. Ota yhteyttä kirjoittajiin saadaksesi lisätietoa.)

Lopuksi haluamme todeta, että realistinen oletus biohajoavien muovien hajoamiselle suomalaisissa järvissä, lampareissa ja Itämeressä on alle kaksi vuotta, sillä se on verrannollinen puiden lehtien biohajoamiseen. Lehtien hiili on saanut kahdessa vuodessa uuden elämän hiilidioksidina ja biomolekyyleinä bakteerien soluissa.

Kirjoittajat

Sami J. Taipale

apulaisprofessori, Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Jyväskylän yliopisto

etunimi.sukunimi@jyu.fi

0408054121

Noora Risku

väitöskirjatutkija, Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Jyväskylän yliopisto

etunimi.sukunimi@jyu.fi