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升級可生物分解農地膜配方 提高產品附加價值

農業科專服務小組/莊承銘 專案經理

近年可生物分解聚合物及其複合材料開發與應用進展相當迅速,常見如塑膠袋與吸管等,且消費者亦開始選擇使用可生物分解產品。本篇以農業應用為主,並舉農地膜為例,傳統農地膜材質以聚乙烯(polyethylene, PE)為主,其於環境不易分解,惟因成本較低而廣泛使用,故對生產可生物分解產品之製造商來說,可生物分解農地膜除用途可替代傳統塑膠農地膜,更能節省後續廢棄農地膜之處理成本,符合減塑及環保理念。

此外,若能將農業再生資材完善利用以提高產品價值,將能更有效應用農業廢棄物,減少造成環境污染疑慮。現已有研究單位透過產品原料與配方原料的調整,評估應用農地膜產品幫助作物生長潛力,以提高附加價值。位於巴西的ABC聯邦大學(UFABC)研究團隊證實,可生物分解農地膜若原料再添加不同的再生資材,如碳黑、有機肥或二氧化矽(來自稻殼灰),對農地膜使用效益之影響亦不相同。首先,該團隊利用目前應用最廣的可生物分解聚合物-聚乳酸(poly lactic acid, PLA),加上可增加產品韌性之聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(poly butylene adipate-coterephthalate, PBAT)製為複合原料,再添加不同比例之再生資材,進而製成不同的農地膜樣品(如表1編號A0至A4),並檢測樣品親水性與對水分的吸附能力,以及樣品於模擬土壤內12個月後之生物分解情形,最後將分解後樣品再經發芽率測試,以觀察其對豆類作物的發芽、生長及生物量,確認是否有助於作物生長。

表1、不同處理之樣品原料成份。
不同處理之樣品原料成份排版表格
資料來源:Julio Harada et al, 2019,本研究整理。

該團隊首先觀察樣品之親水性與對水分的吸附能力,單純由PBAT/PLA組成之樣品(A0),雖具親水特性,但相較A2至A4樣品疏水,此結果亦影響其後續水分吸附與樣品分解能力。另A1由於增加碳元素,故亦影響其親水性,而再添加有機肥、二氧化矽及混合之樣品(A2至A4),則因其結構增加氧元素,降低其表面張力,進而增加親水性與水分吸附能力。此外,經12個月之生物分解實驗結果如圖一,結果顯示,單純由PBAT/PLA組成之樣品(A0),其分解狀況不如預期,即使其已為可生物分解聚合物,惟因親水性與水分吸附能力有限,進而影響微生物對這些聚合物之相關作用。其次,加入碳黑之A1樣品顯示可加速土壤分解,雖該樣品親水性有限,但因碳黑提供了碳元素,可加速生物利用並進一步分解。另添加有機肥(A2)與二氧化矽(A3)之樣品,因其具較好的親水性與對水分的吸附能力,故能加速生物分解。然而,同時添加有機肥與二氧化矽之樣品(A4),其分解狀況則未更佳,研究團隊推論原因應為混合添加時,因過多的原料種類進而影響了活性表面積,致影響分解速率。

圖1、生物分解前(ti)與12個月後(tf)之樣品殘留重量(%)

▲ 圖1、生物分解前(ti)與12個月後(tf)之樣品殘留重量(%)。
資料來源:Julio Harada et al, 2019。

針對農地膜分解前後之土壤pH值,分解前pH為7,經12個月分解後則皆為約5.8±0.1,其pH值降低的原因為聚合物之降解,且該團隊評估應為PLA降解為乳酸所導致。此外,針對土壤EC值,分解前EC值為0.16mS,經12個月分解則皆大於0.24mS甚至更高,透過電導度的提高,可再次確認聚合物之降解確實產生。最後,於發芽率測試結果,針對豆類作物發芽率皆可正常發芽,進一步比較生長情形則發現加入碳黑將使豆類作物有較好的生長與生物量,且再額外添加有機肥比二氧化矽效果更明顯,原因可能為此2種成分於分解後的殘體可扮演提供營養的角色,而有機質亦較二氧化矽提供更多的養份。惟當添加原料種類增加時,如同時碳黑、有機質及二氧化矽情形下,對作物生長並未持續提供增益效果,該團隊推論其原因在於過多添加物將影響分解效率,進而影響作物生長速率。因此,總結該團隊研究,額外添加農業再生資材原料如碳黑、有機肥或二氧化矽將相較未添加這些原料,可對於生物分解與作物生長有所助益,惟並非添加越多種類原料其效果越好,仍需透過不斷評估與田間試驗觀察,以找出更有效之配方與比例。 

多方著手 生物分解再加值

考量讓可生物分解產品於環境自然分解的原因包含微生物,且於農業應用上,目前已證實微生物製劑產品可幫作物創造良好之生長環境,已有研究團隊與業者分別從微生物的角度思考產品開發與用途,如中國的學者針對可生物分解的育苗穴盤,評估其對原本存於土壤中微生物群落之影響,該團隊研究成果證實,在特定土壤條件與短時間內,該可生物分解產品確實對微生物群落及其功能具些微影響。另外,國內已有業者與相關單位合作,透過執行農業業界科專計畫,將農地膜製程中加入有益微生物與農業廢棄物如麥粕,並確認經施用於土壤並經生物分解後,除分解後之元素可供作物利用外,其膜內之微生物能存於土壤環境,扮演類似微生物肥料之功能,相較傳統農地膜更能友善土壤環境,並持續提供作物營養,符合循環與環保理念,而該符合循環農業理念之計畫尚有其它案例,使用之農業廢棄物則包含農糧、畜牧及漁業等。

可生物分解之產品與市場持續成長中,已有資料預期於2030年,該可生物分解之技術與材料將成為亞洲最普遍應用之技術之一,除可生物分解之產品開發外,穩定提供產品原料也相當重要,目前我國選育之牧草品種,除應用於畜牧與作為紙漿等原料外,亦具開發成纖維酒精或經濟型生分解材料如PLA等潛力,相信透過產官學研之努力,將可促使我國生物分解技術應用於農業並再升級,加速相關產業應用,進而發展更高價值之產品並邁向國際市場。

參考文獻

  1. 「2018台灣生物科技大展」農業科專成果展示紀實。AGTECH農業科技專案計畫服務網。2018。https://agtech.coa.gov.tw/news/news_more?id=b39d2dbec87b4c1e914e311f1a2135f8
  2. 【農技最前線】設施農業的披覆材產業現況。農傳媒。2017年09月29日。https://www.agriharvest.tw/theme_data.php?theme=article&sub_theme=article&id=1086
  3. Julio Harada, Alana G.de Souza, José R.N.de Macedo, and Derval S.Rosa. Soil culture: Influence of different natural fillers incorporated in biodegradable mulching film. Journal of Molecular Liquids.Volume 273. 33-36. 2019.
  4. Ke Meng, Wenjie Ren, Ying Teng, Beibei Wang, Yujuan Han, Peter Christie, and Yongming Luo. Application of biodegradable seedling trays in paddy fields: Impacts on the microbial community. Science of The Total Environment. Volume 656. 750-759. 2019.
  5. 具潛力之能源植物-狼尾草台畜草四號。畜產試驗所。2017。https://kmweb.coa.gov.tw/ct.asp?xItem=1454011&ctNode=9898&mp=1&kpi=0&rowId=&hashid=
  6. 保護耕地!生物可分解農地膜∣農業廢棄物加值利用。2018年10月15日。https://www.flyingv.cc/projects/20839
  7. 探新機:科技亞洲 產業創新。工業技術研究院 產業科技國際策略發展所。2018。