[SPA] En la década de 1960, la “revolución verde” agrícola trajo nuevas tecnologías y una gran mecanización en los campos. Estas tecnologías aportaron respuestas rápidas para aumentar los rendimientos de los cultivos y mejorar la seguridad alimentaria. En estas tecnologías encontramos aplicaciones de pesticidas y de acolchado plástico. Desde entonces, la comunidad científica y el público en general se preocuparon por las consecuencias de estas soluciones a corto plazo. De hecho, el acolchado plástico y los pesticidas dejan residuos que se acumulan en el suelo y son potencialmente peligrosos para algunos organismos. Con esta tesis doctoral tratamos de describir el riesgo de la acumulación de residuos de plástico y de pesticidas en agricultura. Este trabajo está organizado en siete capítulos que se describen a continuación. En la introducción, presentamos los varios beneficios del uso de pesticidas y plásticos en agricultura. Los muchos servicios que ofrecen explican por qué se usan abundantemente en todo el mundo. Sin embargo, tanto el plástico como los pesticidas tienen el potencial de acumularse en el suelo. Con respecto a el plástico, hicimos la diferencia entre fuentes directas (p. ej., acolchado plástico, fertilizantes recubiertos con plástico) e indirectas (p. ej., lodos de depuradora, compost). Explicamos los procesos de degradación de los residuos plásticos en microplásticos y, al final, en agua y CO2. Diferenciamos entre microplásticos primarios (~prístinos) y secundarios (~degradados). Nos focalizamos en el uso de acolchado plástico, ya que se usa abundantemente en todo el mundo y que se reconozca como una fuente importante de desechos plásticos. Presentamos tres tipos de plástico diferentes: Polietileno de baja densidad (LDPE), acolchados que contienen aditivos prooxidantes (PAC) y biodegradables (BIO). Finalmente, presentamos las amenazas que representan los residuos de plástico y pesticidas y la necesidad de más investigación. Elaboramos seis preguntas principales que se abordan en los siguientes cinco capítulos de investigación. El objetivo de esta evaluación de campo fue medir los residuos de plásticos y pesticidas en los suelos agrícolas y sus efectos en el microbioma del suelo. Para eso, tomamos muestras de suelo (0-10 cm y 10-20 cm) de 18 parcelas de 6 huertas del sureste de España. Las fincas estaban bajo manejo orgánico o convencional, donde se había usado acolchado plástico por más de 25 años. Medimos el contenido de desechos plásticos de densidad micro y macro, los niveles de residuos de pesticidas y una variedad de propiedades fisicoquímicas. También llevamos a cabo la secuenciación del ADN de las comunidades fúngicas y bacterianas del suelo. Se encontraron residuos plásticos en todas las muestras y se encontraron de 4 a 10 residuos de pesticidas diferentes en todos los suelos en manejo convencional. En general, el contenido de pesticidas fue ~100 veces menor en manejo orgánico, mientras que no se observaron diferencias significativas en el contenido de plástico entre manejos. Las comunidades fúngicas y bacterianas eran específicas de cada finca y estaban relacionadas con diferentes parámetros fisicoquímicos y contenido de contaminantes en el suelo. En cuanto a los contaminantes, las comunidades bacterianas respondieron al total de residuos de pesticidas, al fungicida Azoxystrobin y al insecticida Clorantraniliprol, así como al total del área de plástico. El fungicida Boscalid fue el único contaminante que influyó en la comunidad fúngica. Demostramos que los residuos de plástico y pesticidas estaban presentes juntos en el suelo, por lo que nos preguntamos hasta qué punto podría haber absorción de pesticidas en los residuos plásticos. El objetivo de esta investigación fue de medir la sorción de las sustancias activas de los pesticidas en acolchados de LDPE, PAC y BIO plástico y comparar la descomposición de las sustancias activas en presencia y ausencia de desechos plásticos. Para eso, se incubaron 38 sustancias activas de 17 insecticidas, 15 fungicidas y seis herbicidas comúnmente aplicados con acolchado plástico en el sureste de España con una pieza de acolchado plástico de 3 × 3 cm2 (LDPE, PAC y Bio). La incubación se realizó en una solución de 10% acetonitrilo y 90% agua destilada a 35 °C durante 15 días en oscuridad. La sorción dependió tanto del pesticida como del tipo de acolchado plástico. En promedio, el porcentaje de sorción fue de ~23 % en LDPE y PAC y ~50 % en BIO. La descomposición de las sustancias activas en presencia de plástico fue ~30 % menor que la descomposición de las sustancias activas en solución sola. Investigamos si los residuos plásticos encontrados en el suelo en el capítulo 2 podrían modificar las propiedades fisicoquímicas del suelo. Probamos el impacto de residuos plásticos de tamaño macro (~5 mm) y micro (< 1 mm) de LDPE y un tipo de acolchado BIO sobre las propiedades fisicoquímicas e hidrológicas del suelo. La densidad aparente, la porosidad, la conductividad hidráulica saturada, la capacidad de campo y la repelencia al agua se alteraron significativamente en presencia de los cuatro tipos de residuos plásticos, mientras el pH, la conductividad eléctrica y la estabilidad de los agregados no se vieron afectados sustancialmente. El tipo, tamaño y contenido de los residuos plásticos, así como las interacciones entre estos tres factores, resultaron en efectos complejos sobre las variaciones de los parámetros del suelo. Ampliamos el enfoque de nuestro trabajo desde el suelo hasta los seres vivos que caminan con la pregunta: ¿Las ovejas ingieren los desechos plásticos cuando pastan en campos contaminados? Para dar una respuesta, recolectamos heces de ovejas de 5 rebaños diferentes y analizamos el contenido de microplásticos bajo densidad. Encontramos ~103 partículas∙kg-1 en las heces. Los datos mostraron que el ganado ingirió plástico, en forma de microplásticos y/o macroplásticos. Estudios adicionales deberían centrarse en: evaluar la cantidad de plástico en las heces que venga directamente del acolchado plástico, estimar la degradación del plástico en las entrañas de las ovejas y comprender los efectos potenciales de estos residuos plásticos en la salud del ganado. En un experimento final, replicamos las condiciones de campo en un mesocosmo para probar si el acolchado plástico y los residuos de pesticidas podrían afectar la producción de la planta. Probamos tres acolchados plásticos y tres pesticidas comúnmente utilizados por los agricultores. Se colocaron acolchados de polietileno de baja densidad (LDPE), que contienen aditivos prooxidantes (PAC) y biodegradables (BIO) en un campo durante cuatro meses, se fragmentaron en micro y macroplásticos y se agregaron al suelo con pesticidas. Plástico y pesticidas incubaron en el mesocosmo durante un año en condiciones de campo antes de plantar plántulas de lechuga, Lactuca sativa. Después de un período de crecimiento de 14 semanas, medimos el diámetro basal, el número de hojas, el área foliar, la biomasa de brotes frescos, la biomasa de brotes secos y el contenido de agua de los brotes. Observamos una disminución del área foliar, la biomasa de brotes frescos y la biomasa de brotes secos en plantas que crecían en suelo donde había plástico BIO en comparación con el control. Estos resultados se suman a estudios previos en un llamado a realizar pruebas más detalladas antes de la aprobación de acolchados BIO para agricultura en el mercado. Los principales resultados de la tesis se resumieron en el último capítulo. Comparamos nuestros resultados con la literatura existente y discutimos los vínculos entre los capítulos. Exploramos las limitaciones de la detección actual de residuos de plásticos y pesticidas. Más específicamente, la detección de pequeños residuos plásticos, microplásticos y nanoplásticos en el suelo sigue siendo un desafío. Se están desarrollando una diversidad de métodos. Sugerimos que la diversidad de métodos se requiere para describir la diversidad de tipos, tamaños y formas de plástico y que los métodos deben ser adaptados al objetivo específico del estudio. También discutimos los niveles actuales de residuos de plástico y pesticidas en el suelo y qué concentraciones deberían usarse para evaluar sus impactos potenciales. Finalmente, exploramos diferentes opciones para controlar los impactos de los residuos de plásticos y pesticidas en la agricultura. No se puede sugerir una solución única, ya que los sistemas agrícolas son muy diversos y enfrentan muchos desafíos. No obstante, se recomienda usar mejores prácticas para limitar la acumulación de residuos en el medio ambiente: utilizar acolchados plásticos más fuertes para una eliminación y reciclaje más eficientes o utilizar plásticos biodegradables probados en condiciones de campo; tener en cuenta las condiciones climáticas al aplicar pesticidas y tener en cuenta el tiempo de residencia de los residuos en el suelo. Concluimos que el uso de plásticos y pesticidas son insumos artificiales que afectan procesos naturales, mientras muchos procesos naturales son beneficiosos para la producción de cultivos. Necesitamos más investigación e iniciativas para adaptar la gestión agrícola a sus condiciones y desafíos específicos.

[ENG] In the 1960s, the agricultural “Green revolution” brough new technologies and heavy mechanisation to the fields. These technologies brought rapid answers to increase the crop yields and improve food security. Among these technologies we found pesticide and plastic mulch applications. Since then the scientific community and the general public became worried of the long term consequences of these short term solutions. Indeed plastic mulch and pesticides leave debris which accumulate in the soil and are potentially harmful to divers organisms. With this PhD thesis we try to encompass the threat posed by plastic mulch and pesticide residues in agriculture. The research was organised in seven different chapters described below. In introduction we presented the diverse benefices of pesticide and plastic use in agriculture. The many services they provide explained why they are use abundantly worldwide. However both plastic and pesticides have the potential to accumulate in the soil. For plastic we made the difference between direct (e.g. plastic mulch, plastic coated fertilizers) and indirect sources (e.g. sewage sludge, compost). We explained the degradation processes of plastic debris into microplastics and ultimately into water and CO2. We differentiated primary (~pristine) and secondary (~degraded) microplastics. We narrowed down the focus to plastic mulch as it is used abundantly worldwide and is recognize as an important source of plastic debris. We presented three different plastic types: Low density Polyethylene (LDPE), Pro-oxidant Additive Containing (PAC) and biodegradable (BIO) mulches. Finally, we presented the threats posed by plastic and pesticides residues and the need for more research. We elaborated six main questions that are addressed in the following five research chapters. The objective of this field assessment was to measure plastic and pesticide residues in agricultural soils and their effects on the soil microbiome. For this, we sampled soil (0-10 cm and 10-20 cm) from 18 parcels from 6 vegetable farms in Southeast Spain. The farms were under either organic or conventional management, where plastic mulch had been used for > 25 years. We measured the macro and micro light density plastic debris content, the pesticide residue levels, and a range of physiochemical properties. We also carried out DNA sequencing on the soil fungal and bacterial communities. Plastic debris was found in all samples and 4-10 different pesticide residues were also found in all conventional soils. Overall, pesticide content was ~100 times lower in organic farms, whereas no significant difference in plastic content was observed between organic and conventional farms. The fungal and bacterial communities were farm-specific and related to different soil physicochemical parameters and contaminants. Regarding contaminants, bacterial communities responded to the total pesticide residues, the fungicide Azoxystrobin and the insecticide Chlorantraniliprole as well as the total plastic area. The fungicide Boscalid was the only contaminant to influence the fungal community. We proved that plastic and pesticide residues were present together in the soil so we wondered to which extend there could be sorption of pesticides on plastic debris. The aim of this research was to measure the sorption pattern of active substances from pesticides on LDPE, PAC and Bio plastic mulches and to compare the decay of the active substances in the presence and absence of plastic debris. For this purpose, 38 active substances from 17 insecticides, 15 fungicides and six herbicides commonly applied with plastic mulching in South-east Spain were incubated with a 3 × 3 cm2 piece of plastic mulch (LDPE, PAC and Bio). The incubation was done in a solution of 10% acetonitrile and 90% distilled water at 35 °C for 15 days in the dark. The sorption behaviour depended on both the pesticide and the plastic mulch type. On average, the sorption percentage was ~23% on LDPE and PAC and ~50% on Bio. The decay of active substances in the presence of plastic was ~30% lesser than the decay of active substances in solution alone. We investigated whether the plastic debris found in the soil in chapter 2 could modify the soil physicochemical properties. We tested the impact of macro (around 5 mm) and micro (< 1 mm) sized plastic debris from LDPE and one type of starch-based Bio mulch film on soil physicochemical and hydrological properties. The bulk density, porosity, saturated hydraulic conductivity, field capacity and soil water repellency were altered significantly in the presence of the four kinds of plastic debris, while pH, electrical conductivity and aggregate stability were not substantially affected. The type, size and content of plastic debris as well as the interactions between these three factors played complex roles in the variations of the measured soil parameters. We expanded the focus of our work from the soil to living being walking on it by investigating the question: Do sheep ingest the plastic debris when they are grazing in contaminated fields? To give an answer, we collected sheep faeces from 5 different herds and analysed the light density microplastic content. We found ~103 particles∙kg-1 in the faeces. The data showed that livestock ingested plastic, in the form of microplastics and/or macroplastics. Further studies should focus on: assessing how much of the plastic found in faeces is coming directly from plastic mulching, estimating the plastic degradation in the guts of sheep and understanding the potential effects of these plastic residues on the health of livestock. In a final mesocosm experiment, we replicated field conditions to test if plastic mulch and pesticide residues could affect the plant production. We tested three plastic mulches and three pesticides commonly used by farmers. Low density polyethylene (LDPE), Pro-oxidant Additive Containing (PAC) and biodegradable (BIO) mulches were laid in a field for four months, shredded into micro- and macro- plastics and added to the soil with pesticides. Plastic and pesticides were left in the mesocosm to incubate for a year in field condition before lettuces seedlings, Lactuca sativa, were planted. After 14 weeks growing periode, we measured the basal diameter, number of leaves, leaf area, fresh shoot biomass, dry shoot biomass and shoot water content. We observed a decreased leaf area, fresh shoot biomass and dry shoot biomass in plants growing in soil where BIO plastic was present compared to the control. These results add up to previous studies in a call for more detailed test before approval of BIO mulches for agriculture on the market. The main findings of the thesis were summarized in the last chapter. We compared our results with existing literature and discussed the links between the chapters. We explored the limitations of current plastic and pesticide residues detection. More specifically, the detection of small plastic debris, microplastics and nanoplastics, in soil remains a challenge and a diversity of methods are being developed. We suggested that the diversity of methods is required to describe the diversity of plastic types, sizes and shapes and the methods need to be adapted to the specific objective of the study. We also discussed the current levels of plastic and pesticides residues in soil and which concentrations should be used to assess their potential impacts. Finally we explored different options to control the impacts of plastic and pesticides residues in agriculture. No ‘one-fits-all’ approach can be suggested as agricultural systems are very diverse and face many challenges. Nevertheless best practices are recommended to limit the accumulation of residues in the environment: use stronger plastic mulch for a more efficient removal and recycling or use biodegradable plastic tested in field conditions; be mindful of the climate conditions when applying pesticides and take into account their specific residence time in soil. We conclude that plastic and pesticides use are artificial inputs which affect natural processes in some detrimental manner while many natural processes are beneficial to crop production. We need more investigation and initiatives to tailor agricultural management to their specific conditions and challenges.

Programa de doctorado en Tecnología y Modelización en Ingeniería Civil, Minera y Ambiental

Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de Cartagena

Universidad Politécnica de Cartagena