Assessment of the effects of two bio-based vs conventional mulching films on soil variables and plant responses in enclosed model systems

The present research deals with one the major environmental challenges in modern horticulture, which is represented by the extensive use of plastic mulching films that, although effective in regulating soil temperature, conserving moisture, promoting nutrient release (due to the maintenance of stable thermo-hygrometric conditions), and suppressing weed growth, persist in the environment and accumulate in agricultural soils, ultimately contributing to plastic pollution and ecosystem imbalance. Among the various plastic materials, polyethylene (PE) is the most widely used in agriculture due to its durability, low cost, and efficiency. However, environmental persistence of plastic debris and the required practices for the correct disposal at the end of crop cycles represent a critical issue for soil sustainability. In response to this problem, the thesis investigates the feasibility to use two versions of an innovative biodegradable mulching film constituted by bio-degradable non-fossil related polysaccharides, specifically cellulose, chitosan, and alginate, as sustainable alternatives to conventional plastics. The research aims to assess their effects on selected soil chemical, physical, and biological parameters, evaluate their agronomic performance on horticultural crops, and investigate the effect of their degradation on soil prokaryotic communities. Through an integrated experimental approach combining microbiological, biochemical, and agronomic assessments, the research analyzed the effects of biodegradable mulching films on soil ecological processes and biotic components, including microorganisms, soil fauna, and plants. Particular attention was devoted to the dynamics of soil prokaryotic communities and the role of specific bacterial strains capable of accelerating the biodegradation of cellulose–chitosan-based materials. The experimental work was conducted under controlled microcosm conditions, allowing for the simultaneous evaluation of short-term processes, such as enzymatic activity, C mineralization, and early degradation behavior, as well as mesocosm condition for longer-term effects on soil fertility, microbial composition, and crop quality. The results demonstrate that the incorporation of bio-based mulching films into the soil can influence carbon and nutrient dynamics while maintaining the ecological balance of soil systems. In controlled microcosm experiments, the addition of innovative nitrogen and phosphorus enriched biodegradable films affected soil enzymatic activities and microbial metabolism differently compared to conventional starch-based materials (Mater-Bi®). The presence of the epigeic earthworms Lumbricus terrestris enhanced these effects, highlighting the role of soil fauna in organic mulch degradation and nutrient redistribution. Microbiological investigations enabled the isolation and selection of 119 bacterial strains from environmental sources such as compost, digestate, agricultural soils, and earthworm guts and casts. Screening tests on enriched and non-enriched film formulations revealed a strong variability among strains in the biopolymer degradation efficiency, and led to the identification of four novel cellulose-chitosan-degrading bacteria (Bacillus subtilis ACT-8, Bacillus spp. DL-A1-11, Pseudomonas spp. I1, and Staphylococcus warneri F7). These strains represent promising candidates for supporting biodegradation strategies and provide insights into the microbial ecology and enzymatic mechanisms underlying polysaccharide mineralization. In outdoor mesocosm experiments carried out with lettuce (Lactuca sativa L.), polysaccharide-based films showed visible signs of degradation within three weeks, whereas both Mater-Bi® and polyethylene films remained unaltered until harvest. Despite their shorter lifespan, the biodegradable films maintaining crop yields, pigment concentrations, and antioxidant activity comparable to those obtained with conventional mulches. Soil chemical properties such as total organic carbon, total nitrogen, and cation exchange capacity remained stable, indicating that film degradation did not compromise soil fertility. These results demonstrate that biodegradable films can perform essential agronomic functions over a short cropping cycle while minimizing environmental impact, suggesting their suitability for crops with rapid growth dynamics. In depth analyses of soil microbial processes showed that the use of biodegradable mulching films influenced soil carbon and nitrogen dynamics. In particular, biodegradable mulches with inorganic nitrogen- and phosphorus-enriched film, preserved soil carbon and nitrogen pools, whereas polyethylene resulted in higher carbon losses and increased microbial respiration, responses which are a clear proxy of stressful microbial conditions. While the overall diversity of bacterial communities remained stable, their composition shifted according to the type of film used. Biodegradable materials promoted the abundance of microbial taxa primarily involved in nutrient cycling and organic matter turnover, whereas polyethylene was associated with stress-related and contaminant-degrading bacterial genera. These findings indicate that biodegradable mulches support microbial functionality and resilience, enhancing soil ecological stability. In addition to their microbiological effects, biodegradable films also influenced soil chemical dynamics and plant quality over successive cropping cycles. Their decomposition products contributed to soil nutrient cycling, affecting the availability of key elements for plant uptake. Variations in the content of flavonoids and polyphenols in lettuce (Lactuca sativa L.), and pepper fruit (Capsicum annuum L.) suggest that the different mulching treatments, including commercial biodegradable and polyethylene films, can influence secondary metabolism, possibly through changes in soil-plant interactions. Overall, use of biodegradable and bio-based films maintained soil fertility and crop nutritional quality while reducing the environmental impact associated with the release of plastic waste. Within this context, the results presented in this PhD thesis work aim to demonstrate that polysaccharide-based biodegradable films represent a promising and environmentally friendly alternative to conventional plastic mulches. The degradation of biodegradable films in soil occurs through a combination of abiotic and biotic mechanisms, driven by microbial and faunal activity, and does not compromise agronomic performance of horticultural crops. The selection of a consortium of efficient bacterial degraders opens perspectives for developing biological strategies to enhance the complete soil biodegradation of mulching residues after their life service expired. Although further studies are needed to validate these results under open field conditions and over longer periods of time, the overall results here presented support the feasibility of the transition from plastic to bio-based materials with a view to sustainable agriculture and environmental protection. In brief, the innovative bio-based and biodegradable mulching films developed and tested in the present PhD thesis can represent a possible solution for reducing plastic residues in agricultural soils, improving soil health, and promoting a more circular and sustainable horticultural production system.

La presente ricerca affronta una delle principali sfide ambientali dell'orticoltura moderna, rappresentata dall'uso estensivo di film plastici per pacciamatura che, pur essendo efficaci nella regolazione della temperatura del suolo, nella conservazione dell'umidità, nel favorire il rilascio di nutrienti (grazie al mantenimento di condizioni termoigrometriche stabili) e nel sopprimere la crescita delle erbe infestanti, persistono nell'ambiente e si accumulano nei terreni agricoli, contribuendo in ultima analisi all'inquinamento da plastica e allo squilibrio dell'ecosistema. Tra i vari materiali plastici, il polietilene (PE) è il più utilizzato in agricoltura per la sua durabilità, il basso costo e l'efficienza. Tuttavia, la persistenza ambientale dei detriti plastici e le pratiche necessarie per il corretto smaltimento al termine dei cicli colturali rappresentano una questione critica per la sostenibilità del suolo. In risposta a questo problema, la tesi indaga la fattibilità dell'utilizzo di due versioni di un innovativo film per pacciamatura biodegradabile costituito da polisaccaridi biodegradabili non di origine fossile, nello specifico cellulosa, chitosano e alginato, come alternative sostenibili alle plastiche convenzionali. La ricerca si propone di valutare gli effetti dei film di pacciamatura biodegradabili su parametri chimici, fisici e biologici del suolo, di valutarne le prestazioni agronomiche sulle colture orticole e di studiare l'effetto della loro degradazione sulle comunità procariotiche del suolo. Attraverso un approccio sperimentale integrato che combina valutazioni microbiologiche, biochimiche e agronomiche, la ricerca ha analizzato gli effetti dei film di pacciamatura biodegradabili sui processi ecologici del suolo e sulle componenti biotiche, inclusi microrganismi, fauna del suolo e piante. Particolare attenzione è stata dedicata alle dinamiche delle comunità procariotiche del suolo e al ruolo di specifici ceppi batterici in grado di accelerare la biodegradazione dei materiali a base di cellulosa-chitosano. Il lavoro sperimentale è stato condotto in condizioni di microcosmo controllate, consentendo la valutazione simultanea di processi a breve termine, come l'attività enzimatica, la mineralizzazione del carbonio e il comportamento di degradazione iniziale, nonché in condizioni di mesocosmo per gli effetti a lungo termine sulla fertilità del suolo, sulla composizione microbica e sulla qualità delle colture. I risultati dimostrano che l'incorporazione di film di pacciamatura a base biologica nel terreno può influenzare le dinamiche del carbonio e dei nutrienti, mantenendo al contempo l'equilibrio ecologico dei sistemi del suolo. In esperimenti controllati in microcosmo, l'aggiunta di innovativi film biodegradabili arricchiti di azoto e fosforo ha influenzato le attività enzimatiche del suolo e il metabolismo microbico in modo diverso rispetto ai materiali convenzionali a base di amido (Mater-Bi®). La presenza dei lombrichi epigei Lumbricus terrestris ha potenziato questi effetti, evidenziando il ruolo della fauna del suolo nella degradazione della pacciamatura organica e nella ridistribuzione dei nutrienti. Le indagini microbiologiche hanno permesso l'isolamento e la selezione di 119 ceppi batterici da fonti ambientali come compost, digestato, terreni agricoli e feci e deiezioni di lombrichi. Test di screening su formulazioni di film arricchite e non arricchite hanno rivelato una forte variabilità tra i ceppi nell'efficienza di degradazione del biopolimero e hanno portato all'identificazione di quattro nuovi batteri degradatori di cellulosa-chitosano (Bacillus subtilis ACT-8, Bacillus spp. DL-A1-11, Pseudomonas spp. I1 e Staphylococcus warneri F7). Questi ceppi rappresentano candidati promettenti per supportare le strategie di biodegradazione e forniscono informazioni sull'ecologia microbica e sui meccanismi enzimatici alla base della mineralizzazione dei polisaccaridi. In esperimenti in mesocosmo all'aperto condotti con lattuga (Lactuca sativa L.), i film a base di polisaccaridi hanno mostrato segni visibili di degradazione entro tre settimane, mentre sia i film Mater-Bi® che quelli in polietilene sono rimasti inalterati fino al raccolto. Nonostante la loro durata più breve, i film biodegradabili hanno mantenuto rese colturali, concentrazioni di pigmenti e attività antiossidante paragonabili a quelle ottenute con le pacciamature convenzionali. Le proprietà chimiche del suolo, come il carbonio organico totale, l'azoto totale e la capacità di scambio cationico, sono rimaste stabili, indicando che la degradazione del film non ha compromesso la fertilità del suolo. Questi risultati dimostrano che i film biodegradabili possono svolgere funzioni agronomiche essenziali in un breve ciclo colturale, minimizzando al contempo l'impatto ambientale e suggerendo la loro idoneità per colture con dinamiche di crescita rapide. Analisi approfondite dei processi microbici del suolo hanno mostrato che l'uso di film di pacciamatura biodegradabili ha influenzato le dinamiche del carbonio e dell'azoto nel suolo. In particolare, i film di pacciamatura biodegradabili arricchiti con azoto e fosforo inorganici hanno preservato le riserve di carbonio e azoto del suolo, mentre il polietilene ha determinato maggiori perdite di carbonio e un aumento della respirazione microbica, risposte che rappresentano un chiaro indicatore di condizioni microbiche stressanti. Sebbene la diversità complessiva delle comunità batteriche sia rimasta stabile, la loro composizione è variata in base al tipo di film utilizzato