ISO 17556:2003
(Main)Plastics — Determination of the ultimate aerobic biodegradability in soil by measuring the oxygen demand in a respirometer or the amount of carbon dioxide evolved
Plastics — Determination of the ultimate aerobic biodegradability in soil by measuring the oxygen demand in a respirometer or the amount of carbon dioxide evolved
ISO 17556:2003 specifies a method for determining the ultimate aerobic biodegradability of plastic materials in soil by measuring the oxygen demand in a closed respirometer or the amount of carbon dioxide evolved. The method is designed to yield an optimum degree of biodegradation by adjusting the humidity of the test soil. If a non-adapted soil is used as an inoculum, the test simulates the biodegradation processes which take place in a natural soil environment; if a pre-exposed soil is used, the method can be used to investigate the potential biodegradability of a test material. This method applies to the following materials: Natural and/or synthetic polymers, copolymers or mixtures of these. Plastic materials which contain additives such as plasticizers or colorants. Water-soluble polymers. Materials which, under the test conditions, do not inhibit the activity of the microorganisms present in the soil. Inhibitory effects can be measured using an inhibition control or by another suitable method (see e.g. ISO 8192). If the test material inhibits the microorganisms in the soil, a lower test material concentration, another type of soil or a pre-exposed soil can be used.
Plastiques — Détermination de la biodégradabilité aérobie ultime dans le sol par mesure de la demande en oxygène dans un respiromètre ou de la teneur en dioxyde de carbone libéré
L'ISO 17556:2003 spécifie une méthode pour l'évaluation de la biodégradabilité aérobie ultime des matériaux plastiques dans le sol en mesurant la demande en oxygène dans un respiromètre fermé ou la teneur en dioxyde de carbone libéré. La méthode est conçue pour produire une biodégradabilité optimale en ajustant l'humidité du sol d'essai. Si un sol non modifié est utilisé comme inoculum, l'essai simule les processus de biodégradation qui a lieu dans un environnement de sol naturel; si un sol préexposé est utilisé, la méthode peut être employée pour étudier la biodégradabilité potentielle d'un matériau d'essai. Cette méthode est applicable aux matériaux suivants: Polymères, copolymères naturels et/ou synthétiques ou leurs mélanges. Matériaux plastiques contenant des additifs tels que plastifiants ou colorants. Polymères solubles dans l'eau. Matériaux d'essai n'ayant pas d'effets inhibiteurs sur les micro-organismes présents dans le sol, dans les conditions de l'essai. Les effets inhibiteurs peuvent être déterminés au moyen d'un contrôle de l'inhibition ou par une autre méthode appropriée (voir par exemple l'ISO 8192). Si le matériau d'essai a un effet inhibiteur vis-à-vis des micro-organismes présents dans le sol, il est possible d'utiliser une concentration d'essai plus faible, un autre type de sol ou un sol préexposé.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 17556
First edition
2003-08-01
Plastics — Determination of the ultimate
aerobic biodegradability in soil by
measuring the oxygen demand in a
respirometer or the amount of carbon
dioxide evolved
Plastiques — Détermination de la biodégradabilité aérobie ultime dans
le sol par mesure de la demande en oxygène dans un respiromètre ou
de la teneur en dioxyde de carbone libéré
Reference number
ISO 17556:2003(E)
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ISO 2003
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ISO 17556:2003(E)
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ii ISO 2003 – All rights reserved
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ISO 17556:2003(E)
Contents Page
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 2
4 Principle . 3
5 Test environment . 3
6 Materials . 3
7 Apparatus . 4
8 Procedure . 4
9 Calculation and expression of results . 7
10 Validity of results . 9
11 Test report . 9
Annex A (informative) Principle of a manometric respirometer . 10
Annex B (informative) Example of a system for measuring the amount of carbon dioxide evolved . 11
Annex C (informative) Examples of methods for the determination of evolved carbon dioxide . 12
Annex D (informative) Theoretical oxygen demand (ThOD) . 14
Annex E (informative) Example of a determination of the amount and the molecular mass of water-
insoluble polymer remaining at the end of a biodegradation test . 15
Bibliography . 16
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ISO 2003 – All rights reserved iii
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ISO 17556:2003(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 17556 was prepared by Technical Committee ISO/TC 61, Plastics, Subcommittee SC 5, Physical-chemical
properties.
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iv ISO 2003 – All rights reserved
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ISO 17556:2003(E)
Introduction
With the increasing use of plastics, their recycling and disposal have become a major issue. As a first priority,
recycling needs to be promoted. Complete recycling of plastics, however, is difficult. For example, plastic litter,
which comes mainly from consumers, is difficult to recycle completely. Other examples of plastic materials
which are difficult to recycle are fishing tackle, agricultural mulch films and water-soluble polymers. These
materials tend to “leak” from closed waste-management infrastructures into the natural environment.
Biodegradable plastics are now emerging as one of the options available to solve such environmental issues.
Several International Standards specifying methods for determining the ultimate aerobic/anaerobic
biodegradability of plastic materials in aqueous/compost conditions have been published. In view of the use and
disposal of biodegradable plastics, it is therefore very important to establish a method of determining the
ultimate aerobic biodegradability of such materials in soil.
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.
vi
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 17556:2003(E)
Plastics — Determination of the ultimate aerobic
biodegradability in soil by measuring the oxygen demand in a
respirometer or the amount of carbon dioxide evolved
WARNING — Appropriate precautions should be taken when handling soil because it may contain
potentially pathogenic organisms. Toxic test compounds and those whose properties are unknown
should be handled with care.
1Scope
This International Standard specifies a method for determining the ultimate aerobic biodegradability of plastic
materials in soil by measuring the oxygen demand in a closed respirometer or the amount of carbon dioxide
evolved. The method is designed to yield an optimum degree of biodegradation by adjusting the humidity of the
test soil.
If a non-adapted soil is used as an inoculum, the test simulates the biodegradation processes which take place
in a natural soil environment; if a pre-exposed soil is used, the method can be used to investigate the potential
biodegradability of a test material.
This method applies to the following materials:
— Natural and/or synthetic polymers, copolymers or mixtures of these.
— Plastic materials which contain additives such as plasticizers or colorants.
— Water-soluble polymers.
— Materials which, under the test conditions, do not inhibit the activity of the microorganisms present in the
soil. Inhibitory effects can be measured using an inhibition control or by another suitable method (see e.g.
ISO 8192). If the test material inhibits the microorganisms in the soil, a lower test material concentration,
another type of soil or a pre-exposed soil can be used.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 10381-6, Soil quality — Sampling — Part 6: Guidance on the collection, handling and storage of soil for the
assessment of aerobic microbial processes in the laboratory
ISO 10390, Soil quality — Determination of pH
ISO 10634, Water quality — Guidance for the preparation and treatment of poorly water-soluble organic
compounds for the subsequent evaluation of their biodegradability in an aqueous medium
ISO 10694, Soil quality — Determination of organic and total carbon after dry combustion (elementary analysis)
ISO 11274, Soil quality — Determination of the water-retention characteristic — Laboratory methods
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ISO 2003 – All rights reserved 1
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ISO 17556:2003(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
ultimate aerobic biodegradation
breakdown of an organic compound by microorganisms in the presence of oxygen into carbon dioxide, water
and mineral salts of any other elements present (mineralization) plus new biomass
3.2
biochemical oxygen demand
BOD
mass concentration of dissolved oxygen consumed under specified conditions by the aerobic biological
oxidation of a chemical compound or organic matter in water, expressed as milligrams of oxygen uptake per
milligram or gram of test compound
3.3
dissolved organic carbon
DOC
that part of the organic carbon in water which cannot be removed by specified phase separation, for example by
−2
centrifugation at 40 000 m·s for 15 min or by membrane filtration using membranes with pores of 0,2µm to
0,45µm diameter
3.4
theoretical oxygen demand
ThOD
maximum theoretical amount of oxygen required to oxidize a chemical compound completely, calculated from
the molecular formula; expressed as milligrams of oxygen uptake per milligram or gram of test compound
3.5
theoretical amount of carbon dioxide evolved
ThCO
2
maximum theoretical amount of carbon dioxide evolved after completely oxidizing a chemical compound,
calculated from the molecular formula; expressed as milligrams of carbon dioxide evolved per milligram or gram
of test compound
3.6
lag phase
time, measured in days, from the start of a test until adaptation and/or selection of the degrading
microorganisms is achieved and the degree of biodegradation of a chemical compound or organic matter has
increased to about 10 % of the maximum level of biodegradation
3.7
biodegradation phase
time, measured in days, from the end of the lag phase of a test until about 90 % of the maximum level of
biodegradation has been reached
3.8
maximum level of biodegradation
degree of biodegradation, measured in per cent, of a chemical compound or organic matter in a test, above
which no further biodegradation takes place during the test
3.9
plateau phase
time, measured in days, from the end of the biodegradation phase until the end of the test
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2 ISO 2003 – All rights reserved
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ISO 17556:2003(E)
3.10
pre-conditioning
pre-incubation of soil under the conditions of the subsequent test in the absence of the chemical compound or
organic matter under test, with the aim of improving the performance of the test by acclimatization of the
microorganisms to the test conditions
3.11
pre-exposure
pre-incubation of soil in the presence of the chemical compound or organic matter under test, with the aim of
enhancing the ability of the soil to biodegrade the test material by adaptation and/or selection of the
microorganisms
3.12
water content
◦
mass of water which evaporates from the soil when the soil is dried to constant mass at 105 C, divided by the
dry mass of the soil (i.e. the ratio between the mass of the water and that of the soil particles in a soil sample)
3.13
water-holding capacity
mass of water which evaporates from soil saturated with water when the soil is dried to constant mass at
◦
105 C, divided by the dry mass of the soil
4 Principle
This method is designed to yield the optimum rate of biodegradation of a plastic material in a test soil by
controlling the humidity of the soil, and to determine the ultimate biodegradability of the material.
The plastic material, which is the sole source of carbon and energy, is mixed with the soil. The mixture is
allowed to stand in a flask over a period of time during which the amount of oxygen consumed (BOD) or the
amount of carbon dioxide evolved is determined. The BOD is determined, for example, by measuring the
amount of oxygen required to maintain a constant gas volume in a respirometer flask, or by measuring either
automatically or manually the change in volume or pressure (or a combination of the two). An example of a
suitable respirometer is shown in Annex A. The amount of carbon dioxide evolved is measured at intervals
dependent on the biodegradation kinetics of the test substance by passing carbon-dioxide-free air over the soil
and then determining the carbon dioxide content of the air by a suitable method. Examples of suitable methods
are given in Annexes B and C.
The level of biodegradation, expressed in per cent, is determined by comparing the BOD with the theoretical
oxygen demand (ThOD) or by comparing the amount of carbon dioxide evolved with the theoretical amount
(ThCO ). The influence of possible nitrification processes on the BOD has to be considered. The test is
2
terminated when a constant level of biodegradation has been attained or, at the latest, after six months.
Unlike ISO 11266, which is used for a variety of organic compounds, this International Standard is specially
designed to determine the biodegradability of plastic materials.
5 Test environment
Incubation shall take place in the dark or in diffused light in an enclosure which is free from vapours toxic to
◦ ◦
microorganisms and is maintained at a temperature constant to within ± 1C2, preferably between 0 C and
◦
25 C, but other temperatures may be used for particular test environments.
6 Materials
6.1 Distilled water, containing less than 2 mg/l of DOC.
6.2 Carbon dioxide absorber, preferably soda lime pellets.
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ISO 17556:2003(E)
7 Apparatus
Ensure that all glassware is thoroughly cleaned and, in particular, free from organic or toxic matter.
7.1 Closed respirometer, including test flasks and all other necessary equipment, located in a constant-
temperature enclosure or in a thermostatted apparatus (e.g. water-bath). For an example, see Annex A.
NOTE Any respirometer capable of determining with sufficient accuracy the biochemical oxygen demand is suitable,
preferably an apparatus which measures and automatically replaces the oxygen consumed so that no oxygen deficiency
and no inhibition of the microbial activity occurs during the degradation process.
7.2 Apparatus for determining the amount of carbon dioxide evolved.
7.2.1 Test flasks: glass vessels (e.g. conical flasks or bottles), fitted with tubing impermeable to carbon
dioxide to allow purging with gas, and located in a constant-temperature enclosure or in a thermostatted
apparatus (e.g. water-bath).
7.2.2 CO -free-air production system, capable of supplying CO -free air at a flow rate of several ml/min to
2 2
each test flask, held constant to within ± 10 % (see example of system, including test vessels, in Annex B).
Alternatively, the incubation apparatus shown in ASTM D 5988 may be used.
7.2.3 Analytical instrument for determining carbon dioxide, consisting of any suitable apparatus with
sufficient accuracy, e.g. a carbon dioxide or DIC analyser or apparatus for titrimetric determination after
complete absorption in a basic solution (see examples in Annex C).
7.3 Analytical balance.
7.4 pH-meter.
8 Procedure
8.1 Preparation of test material
The test material shall be of known mass and contain sufficient carbon to yield a BOD or a quantity of carbon
dioxide that can be adequately measured by the analytical equipment used. Calculate the TOC from the
chemical formula or determine it by a suitable analytical technique (e.g. elemental analysis or measurement in
accordance with ISO 8245) and calculate the ThOD or ThCO (see Annexes C and D).
2
NOTE1 Although elemental analysis is generally less precise for macromolecules than for low-molecular-mass
compounds, the precision is usually acceptable for the purposes of calculating the ThOD or ThCO .
2
The amount of test material shall be sufficient to outweigh any variations in the background oxygen
300 mg
consumption or any carbon dioxide evolved from the test soil: 100 mg to of test material to 100 g to
300 g of soil is usually adequate. The maximum amount of test material is limited by the oxygen supply to the
test system. The use of 200 mg of test material with 200 g of soil is recommended unless the soil contains an
excessively large amount of organic matter.
NOTE 2 Pre-aeration of the test material or the addition of inert material is recommended, as and when necessary, to
reduce the influence on respiration of the soil in blank flasks.
The test material should preferably be used in powder form, but it may also be introduced in the form of films,
fragments or shaped articles.
Experiments have shown that the ultimate degree of biodegradation is almost independent of the form and
shape of the test material. The speed of biodegradation, however, does depend on the form and shape of the
material. Test materials of similar form and shape should therefore be used if different kinds of plastic material
are to be compared in tests of the same length. If the test material is in the form of a powder, small particles of
known size distribution should be used. A particle-size distribution with its maximum at 250µm diameter is
recommended. If the test material is not in powder form, the size of the pieces of material should not be greater
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ISO 17556:2003(E)
than 5mm×5mm. Also, the size of the test equipment used may depend on the form of the test material. It
should be ascertained that no substantial mechanical aberrations occur due to the design of the equipment.
Normally, processing of the test material will not significantly influence the degradation behaviour of the material
(e.g. the use of powder in the case of composites).
Optionally, determine the hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus and sulfur contents, as well as the molecular
mass of the test material using, for example, size exclusion chromatography. Preferably plastic materials without
additives such as plasticizers should be tested. When the material does contain such additives, information on
their biodegradability will be needed to assess the biodegradability of the polymeric material itself.
For details on how to handle poorly water-soluble compounds, see ISO 10634.
8.2 Preparation of reference material
Use as reference material a well-defined biodegradable polymer (for example, microcrystalline cellulose
powder, ashless cellulose filters or poly-β-hydroxybutyrate) with a biodegradability similar to that of the test
material. If possible, the form and size of the reference material should be comparable to that of the test
material.
As a negative control, a non-biodegradable polymer (e.g. polyethylene) in the same form as the test material
can be used.
8.3 Preparation of the test soil
8.3.1 Collection and sieving of soil
Use natural soil collected from the surface layer of fields and/or forests, or a soil which has been pre-exposed to
the test material. Sieve the soil to give particles of less than 2mm in size and remove obvious plant material,
stones and other inert materials.
NOTE 1 It is important to remove organic solids, such as straw, as far as practicable because they can decompose during
the test.
NOTE2 The soil may be pre-conditioned but normally pre-exposed soil should not be used, especially when
biodegradation behaviour in natural environments is being simulated. Depending on the purpose of the test, however, pre-
exposed soil may be used, provided that this is clearly stated in the test report (e.g. per cent biodegradation =x %, using
pre-exposed soil) and the method of pre-exposure detailed in the test report. Pre-exposed soil can be obtained from suitable
laboratory biodegradation tests conducted under a variety of conditions or from samples collected from locations where
relevant environmental conditions exist (e.g. contaminated areas or industrial treatment plants).
Record the sampling site, its location, the presence of plants or previous crops, the sampling date, the sampling
depth and, if possible, the history such as details of fertilizer and pesticide application.
8.3.2 Measurement of soil characteristics
Knowledge of the soil characteristics is essential for full interpretation of the results of the study. It is therefore
recommended that at least the following tests be performed on the soil selected:
a) total water-holding capacity, in accordance with ISO 11274;
b) pH of the soil, in accordance with ISO 10390;
c) organic-matter content, in accordance with ISO 10694.
8.3.3 Adjustment of the water content and the pH of the soil
Adjust the water content of the soil to a suitable value for the test material by adding an appropriate amount of
water to the soil, or by drying the soil in the air in a shaded place followed by addition of an appropriate amount
of water. Adjust the pH of the soil to between 6,0 and 8,0 if it is not already within this range.
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ISO 17556:2003(E)
NOTE 1 The optimum water content of the test soil is dependent on the test material. It is usually between 40 % and 60 %
of the total water-holding capacity.
NOTE 2 It is recommended that the ratio of organic carbon in the test or reference material to nitrogen in the soil (C:N ratio)
be adjusted to at least 40:1, if it is not already at this level, so as to ensure good biodegradation. This may be done by adding
nitrogen as, for example, an aqueous solution of ammonium chloride.
8.3.4 Handling and storage of the soil
◦ ◦
Store the soil in a sealed container at 4 C± 2 C until it is used in the test. Do not handle the soil in any way
that could inhibit the activity of the microorganisms in it.
It is important that ISO 10381-6 is followed to ensure that the microbial activity of the soil is not affected by
sampling.
8.4 Start-up and execution of the test
Prepare a sufficient number of flasks so that the test includes at least the following:
a) two test flasks for the test material (symbol );
F
T
b) two flasks for the blank (symbol F );
B
c) two flasks for checking the soil activity using a reference material (symbol F );
C
and, if required:
d) one flask for checking for possible abiotic degradation or non-biological changes in the test material (symbol
F );
S
e) one flask for checking for any possible inhibiting effect of the test material (symbol F ).
I
Place between 100 g and 300 g of soil (see 8.3) at the bottom of each flask to a depth of not more than 3cm
and add test material (see 8.1) or reference material (see 8.2), as indicated in Table 1, to the soil. Record the
mass of each flask containing test mixture.
Table 1 — Final distribution of test and reference materials
Flask Test material Reference material Test soil
F Test + − +
T
F Test + − +
T
F Blank −− +
B
F Blank −− +
B
F Soil activity check − ++
C
F Soil activity check − ++
C
F Abiotic degradation check (optional) + −−
S
F Inhibition check (optional) +++
I
NOTE 1 It is important that the test material be homogeneously mixed with the soil, in the case of powder, and as widely
spread as possible in the soil, in the case of film, to improve the contact of the test material with the microorganisms in the
soil. Also, it is recommended that the surface of the test mixture be pressed with a spatula to improve the contact between
the test material and the microorganisms in the soil.
NOTE 2 Three flasks each for the test material, blank and soil activity check may be used instead of two.
Place the flasks in a constant-temperature environment (see Clause 5) and allow all the flasks to reach the
desired temperature. Make all necessary connections with the respirometer or CO -free-air production system
2
and start the incubation.
©
6 ISO 2003 – All rights reserved
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ISO 17556:2003(E)
If measuring the oxygen consumption, take the necessary readings on the manometers (if manual) or verify that
the recorder of oxygen consumption is functioning properly (automatic respirometer) (see Annex A).
If measuring the carbon dioxide evolved, measure, at regular intervals depending on the carbon dioxide
evolution rate, the amount of carbon dioxide evolved from each flask, using a suitable and sufficiently accurate
method (see Annexes B and C).
If the biodegradation rate is considered to have slowed down because the test soil has dried out during the test,
stop the measurements and remove the flasks from the respirometer or CO -free-air production system. Weigh
2
the flasks and add a suitable amount of water to the test soil to bring its water content back to its initial value.
Reconnect the flasks to the system and restart measurement of the oxygen consumed or carbon dioxide
evolved. These operations shall be conducted without inhibiting the activity of the soil microorganisms and
without influencing the measurement of oxygen consumption or carbon dioxide evolution, and the fact that they
have been carried out shall be clearly stated in the test report.
When a constant level of BOD or carbon dioxide evolution is attained (plateau phase reached) and no further
biodegradation is expected, the test is considered to be completed. The test period should not exceed six
months. If the test is run for longer, check periodically for possible leaks.
At the end of the test, remove the flasks and weigh them to check for any decrease in the water content of the
test soil. Optionally, the residual test material may be extracted from the soil with a suitable solvent (if this is
possible) and weighed.
9 Calculation and expression of results
9.1 Calculation
9.1.1 Percentage biodegradation from oxygen consumption values
Read the oxygen consumption value for each flask, using the method given by the manufacturer for the type of
respirometer concerned. Calculate the specific biochemical oxygen demand (BOD ) of the test material using
S
Equation (1):
BOD − BOD
t Bt
BOD = (1)
S
ρ
T
where
BOD is the specific BOD, in milligrams per gram of test material;
S
BOD is the BOD of the flask F containing test material at time t, in milligrams per kilogram of test soil,
t T
calculated by dividing the measured oxygen consumption, in milligrams, by the amount of test soil,
in kilograms;
BOD is the BOD of the blank F at time t, in milligrams per kilogram of test soil;
Bt B
ρ is the concentration of the test material in the reaction mixture of flask F , in milligrams per kilogram
T T
of test soil.
Calculate the percentage biodegradation D as the ratio of the specific biochemical oxygen demand to the
t
theoretical oxygen demand (ThOD, in milligrams per gram of test material), using Equation (2):
BOD
S
D = × 100 (2)
t
ThOD
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Calculate in the same way the BOD and percentage biodegradation of the reference material F and, if
C
included, the abiotic degradation check F and the inhibition check F. For calculation of the ThOD,
S I
see Annex A.
9.1.2 Percentage biodegradation from carbon dioxide evolved
9.1.2.1 Theoretical amount of carbon dioxide evolved by test material
The theoretical amount of carbon dioxide evolved by the test material ThCO is given, in milligrams, by
2
Equation (3):
44
ThCO =m×w × (3)
2 C
12
where
m is the mass of test material, in milligrams, introduced into the test system;
w is the carbon content of the test material, determined from the chemical formula or from
C
elemental analysis, expressed as a mass fraction;
44 and 12 are the molecular and atomic masses of carbon dioxide and carbon, respectively.
Calculate in the same way the theoretical amount of carbon dioxide evolved by the reference material and by
the mixture of test and reference material in flask F .
I
9.1.2.2 Percentage biodegradation
Calculate the percentage biodegradation D for each test flask F from the amount of carbon dioxide evolved
t T
during each measurement interval using Equation (4):
� �
m − m
T B
D = × 100 (4)
t
ThCO
2
where
�
m is the amou
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 17556
Première édition
2003-08-01
Plastiques — Détermination de la
biodégradabilité aérobie ultime dans le
sol par mesure de la demande en oxygène
dans un respiromètre ou de la teneur en
dioxyde de carbone libéré
Plastics — Determination of the ultimate aerobic biodegradability in soil
by measuring the oxygen demand in a respirometer or the amount of
carbon dioxide evolved
Numéro de référence
ISO 17556:2003(F)
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ISO 2003
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Sommaire Page
1 Domaine d'application . 1
2Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Principe . 3
5 Environnement d'essai . 3
6Réactifs . 4
7 Appareillage . 4
8 Mode opératoire . 4
9 Calcul et expression des résultats . 8
10 Validité des résultats . 9
11 Rapport d'essai . 10
Annexe A (informative) Principe du respiromètre manométrique . 11
Annexe B (informative) Exemple d'un système d'essai pour mesurer la teneur en dioxyde de carbone
libéré . 12
Annexe C (informative) Exemples pour la détermination de la quantité de dioxyde
de carbone libéré . 13
Annexe D (informative) Demande théorique en oxygène (DThO) . 15
Annexe E (informative) Exemple d'une détermination de la quantité résiduelle et de la masse
moléculaire de polymères insolubles dans l'eau à la fin d'un essai de biodégradation . 16
Bibliographie . 17
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ISO 17556:2003(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la
Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 17556 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 61, Plastiques, sous-comité SC 5, Propriétés
physicochimiques.
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ISO 17556:2003(F)
Introduction
Avec l'utilisation croissante des plastiques, la question de la récupération et de l'élimination est devenue d'une
importance majeure. Il convient en priorité de favoriser la récupération. Toutefois, la récupération complète des
plastiques est difficile. Par exemple, il est difficile de récupérer entièrement les déchets de plastiques provenant
principalement des consommateurs. Autres exemples de récupérations difficiles, l'élimination du matériel de
pêche, des paillis en plastique pour l'agriculture et des polymères solubles dans l'eau. Ces matériaux plastiques
ont tendance à s'échapper dans l'environnement naturel à partir d'infrastructures closes de gestion des
déchets. Les plastiques biodégradables apparaissent aujourd'hui comme l'une des solutions pour résoudre de
telles questions environnementales. Plusieurs Normes internationales publiées spécifient des méthodes
d'essai relatives à l'évaluation de la biodégradabilité aérobie ou anaérobie ultime des matériaux plastiques dans
des conditions aqueuses ou des conditions de compostage. Compte tenu de l'emploi et de l'élimination des
plastiques biodégradables, il est donc très important d'établir une méthode de détermination de la
biodégradabilité aérobie ultime de tels matériaux plastiques dans le sol.
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NORME INTERNATIONALE ISO 17556:2003(F)
Plastiques — Détermination de la biodégradabilité aérobie
ultime dans le sol par mesure de la demande en oxygène dans
un respiromètre ou de la teneur en dioxyde de carbone libéré
AVERTISSEMENT — Il convient de prendre les précautions appropriées lors de la manipulation du sol,
celui-ci pouvant contenir des organismes potentiellement pathogènes. Il convient de manipuler avec
soin les composés toxiques à analyser et ceux dont les propriétés ne sont pas connues.
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie une méthode pour l'évaluation de la biodégradabilité aérobie ultime
des matériaux plastiques dans le sol en mesurant la demande en oxygène dans un respiromètre fermé ou la
teneur en dioxyde de carbone libéré. La méthode est conçue pour produire une biodégradabilité optimale en
ajustant l'humidité du sol d'essai.
Si un sol non modifié est utilisé comme inoculum, l'essai simule les processus de biodégradation qui a lieu dans
un environnement de sol naturel; si un sol préexposé est utilisé, la méthode peut être employée pour étudier la
biodégradabilité potentielle d'un matériau d'essai.
Cette méthode est applicable aux matériaux suivants:
— polymères, copolymères naturels et/ou synthétiques ou leurs mélanges;
— matériaux plastiques contenant des additifs tels que plastifiants ou colorants;
— polymères solubles dans l'eau;
— matériaux d'essai n'ayant pas d'effets inhibiteurs sur les micro-organismes présents dans le sol, dans les
conditions de l'essai. Les effets inhibiteurs peuvent être déterminés au moyen d'un contrôle de l'inhibition ou
par une autre méthode appropriée (voir par exemple l'ISO 8192). Si le matériau d'essai a un effet inhibiteur
vis-à-vis des micro-organismes présents dans le sol, il est possible d'utiliser une concentration d'essai plus
faible, un autre type de sol ou un sol préexposé.
2Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 10381-6, Qualité du sol — Échantillonnage — Partie 6: Lignes directrices pour la collecte, la manipulation
et la conservation de sols destinés à une étude en laboratoire des processus microbiens aérobies
ISO 10390, Qualité du sol — Détermination du pH
ISO 10634, Qualité de l'eau — Lignes directrices pour la préparation et le traitement des composés organiques
peu solubles dans l'eau en vue de l'évaluation de leur biodégradabilité en milieu aqueux
ISO 10694, Qualité du sol — Dosage du carbone organique et du carbone total après combustion sèche
(analyse élémentaire)
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ISO 11274, Qualité du sol — Détermination de la caractéristique de la rétention en eau — Méthodes de
laboratoire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
biodégradation aérobie ultime
décomposition d'un composé chimique organique par des micro-organismes en présence d'oxygène, en
dioxyde de carbone, eau et sels minéraux de tous les autres éléments présents (minéralisation) et en une
nouvelle biomasse
3.2
demande biochimique en oxygène
DBO
concentration en masse d'oxygène dissous, consommé dans des conditions définies par l'oxydation biologique
aérobie d'un composé chimique ou de matières organiques dans l'eau, exprimée en milligrammes d'oxygène
absorbé par milligramme ou gramme de composé à analyser
3.3
carbone organique dissous
COD
partie du carbone organique présent dans l'eau qui ne peut être éliminée par une séparation de phases
−2
spécifique, par exemple par centrifugation à 40 000 m·s pendant 15 min, ou par filtration par membrane
ayant un diamètre de pores compris entre 0,2µm et 0,45µm
3.4
demande théorique en oxygène
DTho
quantité théorique maximale d'oxygène exigée pour oxyder complètement un composé chimique, calculée
d'après la formule moléculaire, exprimée en milligrammes d'oxygène absorbé par milligramme ou gramme de
composé à analyser
3.5
teneur théorique de dioxyde de carbone libéré
ThCO
2
teneur théorique maximale en dioxyde de carbone libéré après oxydation complète d'un composé chimique,
calculée d'après la formule moléculaire, exprimée en milligrammes de dioxyde de carbone libéré par
milligramme ou gramme de composé à analyser
3.6
phase de latence
durée, mesurée en jours, écoulée depuis le début de l'essai jusqu'à l'obtention de l'adaptation et/ou de la
sélection des micro-organismes qui provoquent la dégradation, et jusqu'à ce que le taux de biodégradation du
composé chimique ou de la matière organique ait atteint environ 10 % du niveau maximal de biodégradation
3.7
phase de biodégradation
durée, mesurée en jours, écoulée depuis la fin de la phase de latence de l'essai jusqu'à ce que l'on ait obtenu
environ du niveau maximal de biodégradation
90 %
3.8
niveau maximal de biodégradation
biodégradation maximale, mesurée en pourcentage, atteinte par un composé chimique ou un matériau
organique lors d'un essai, au-dessus de laquelle la biodégradation ne se poursuit pas
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3.9
phase stationnaire
durée, mesurée en jours, écoulée entre la fin de la phase de biodégradation et la fin de l'essai
3.10
préconditionnement
préincubation du sol dans les conditions de l'essai effectué ultérieurement, en l'absence du composé à
analyser, dans le but d'améliorer la performance de l'essai par acclimatation des micro-organismes aux
conditions d'essai
3.11
préexposition
préincubation du sol, en présence du composé chimique ou de la matière organique à analyser, dans le but
d'améliorer la capacité du sol à dégrader le matériau d'essai par adaptation et/ou sélection des
microorganismes
3.12
teneur en eau en masse
◦
masse d'eau s'évaporant du sol lorsqu'il est séché à masse constante à , 105 Cdivisée par la masse sèche du
sol (c'est-à-dire le rapport entre les masses de l'eau et des particules du sol dans un échantillon de sol)
3.13
capacité totale de rétention d'eau
◦
masse d'eau s'évaporant du sol saturé d'eau lorsqu'il est séché à masse constante à , 105 Cdivisée par la
masse sèche du sol
4Principe
La méthode d'essai est conçue pour produire le taux optimal de biodégradation d'un matériau plastique dans un
sol d'essai en contrôlant l'humidité de ce dernier et permet de déterminer la biodégradabilité ultime du matériau
d'essai.
Le matériau plastique, qui est la source unique de carbone et d'énergie, est mélangé au sol. On laisse reposer
le mélange dans un flacon pendant une période durant laquelle la consommation d'oxygène (DBO) ou le
dioxyde de carbone libéré sont déterminés. La DBO est, par exemple, déterminée en mesurant la quantité
d'oxygène exigée pour maintenir un volume de gaz constant dans un flacon de respiromètre ou en mesurant le
changement de volume ou de pression (ou une combinaison des deux) soit automatiquement, soit
manuellement. Un exemple de respiromètre approprié est donné à l'Annexe A. La quantité de dioxyde de
carbone libérée est déterminée à des intervalles qui dépendent de la cinétique de biodégradation de la
substance d'essai, en analysant, par une méthode analytique appropriée, le dioxyde de carbone présent dans
l'air exempt de dioxyde de carbone passé sur le sol d'essai. Des exemples de méthodes appropriées sont
donnés aux Annexes B et C.
Le niveau de biodégradation, exprimé en pourcentage, est établi en comparant la DBO avec la demande
théorique en oxygène (DThO) ou en comparant la quantité dioxyde de carbone libérée avec la teneur théorique
(ThCO ). L'influence de processus possibles de nitrification sur la DBO doit être prise en compte. L'essai est
2
achevé lorsqu'un niveau constant de biodégradation a été atteint, ou après six mois au maximum.
Contrairement à l'ISO 11266, qui est utilisé pour une variété de composés organiques, la présente Norme
internationale est conçue spécialement pour évaluer la biodégradabilité des matériaux plastiques.
5 Environnement d'essai
L'incubation doit avoir lieu dans l'obscurité ou sous une lumière diffuse, dans une enceinte exempte de vapeurs
◦
toxiques pour les micro-organismes et maintenue à une température constante (à ± 1 Cprès), de préférence
◦ ◦
entre 20C2 et 5 C, mais d'autres températures peuvent être utilisées pour des environnements d'essai
particuliers.
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6Réactifs
6.1 Eau distillée, contenant moins de 2 mg/l de COD.
6.2 Absorbant de dioxyde de carbone, de préférence des pastilles de chaux sodée.
7 Appareillage
S'assurer que toute la verrerie de laboratoire a été soigneusement nettoyée et, qu'en particulier, elle soit
exempte de toutes traces de substances organiques ou toxiques.
7.1 Respiromètre fermé, comprenant tout le matériel et les récipients d'essai nécessaires, situé dans une
pièce à température constante ou dans un appareil thermostatique (par exemple bain d'eau). Pour un exemple,
voir l'Annexe A.
NOTE Tout respiromètre capable d'établir avec une exactitude suffisante la demande biochimique en oxygène convient.
On choisira de préférence un appareil mesurant et remplaçant automatiquement l'oxygène consommé de façon qu'aucun
défaut d'oxygène et aucune inhibition de l'activité microbienne ne se produisent durant le processus de dégradation.
7.2 Appareillage pour la mesure du dioxyde de carbone libéré.
7.2.1 Flacons d'essai: récipients en verre (par exemple flacons coniques ou bouteilles) permettant de purger
le gaz, avec un tubage imperméable au dioxyde de carbone. Placer ces récipients dans une pièce à
température constante ou dans un appareil thermostatique (par exemple bain d'eau).
7.2.2 Système de production d'air exempt de dioxyde de carbone, système capable d'alimenter chaque
flacon d'essai avec de l'air exempt de dioxyde de carbone à un débit de plusieurs millilitres par minute, maintenu
constant à ± 10 %(voir à l'Annexe B un exemple de montage avec les récipients d'essai). Une autre possibilité
consiste à d'utiliser l'appareil d'incubation montré dans l'ASTM D 5988-96.
7.2.3 Instrument analytique pour la détermination du dioxyde de carbone, consistant en tout appareillage
approprié ayant une exactitude suffisante, par exemple un analyseur de dioxyde de carbone, un analyseur de
carbone inorganique dissous ou un appareil de détermination titrimétrique après absorption complète dans une
solution basique (voir les exemples à l'Annexe C).
7.3 Balance d'analyses
7.4 pH mètre.
8 Mode opératoire
8.1 Préparation du matériau d'essai
Le matériau d'essai doit être de masse connue et avoir une teneur en carbone suffisante pour donner une DBO
ou une quantité de dioxyde de carbone susceptible d'être adéquatement mesurée par l'équipement analytique
utilisé. Calculer d'après la formule chimique ou déterminer le carbone organique total (COT) par une technique
analytique appropriée (par exemple analyse élémentaire ou mesure du carbone inorganique total
conformément à l'ISO 8245) et calculer la DThO ou le ThCO (voir les Annexes C et D).
2
NOTE 1 Bien que l'analyse élémentaire d'une substance à poids moléculaire élevé soit, en général, moins précise que
celle d'une substance à poids moléculaire faible, ce degré de précision inférieur est généralement acceptable pour calculer
la demande théorique en oxygène (DThO) ou la teneur théorique de dioxyde de carbone libéré (ThCO ).
2
La quantité de matériau d'essai doit être suffisante pour compenser toutes les variations de la consommation
d'oxygène environnante ou le dioxyde de carbone libéré à partir du sol d'essai: une quantité comprise entre
100 g et 300 g de matériau d'essai pour une quantité de sol d'essai comprise entre 100 g et 300 g est en
général suffisante. La quantité maximale de matériau d'essai est limitée par l'alimentation en oxygène du
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système d'essai. Il est recommandé d'utiliser, dans la pratique, 200 mg de matériau d'essai pour 200 g de sol,
sauf si le sol contient une quantité excessive de matière organique.
NOTE 2 Une préaération ou l'adjonction d'un matériau inerte est recommandée, lorsque cela est nécessaire, pour
diminuer l'influence sur la respiration du sol dans les flacons témoins à blanc.
Il convient d'utiliser un matériau d'essai se présentant de préférence sous forme de poudre, mais il est possible
de l'introduire sous forme de films, fragments ou d'éléments formés.
Des essais ont montré que le taux de biodégradabilité au stade ultime est pratiquement indépendant de la
forme physique et géométrique des matériaux. Toutefois, la vitesse de biodégradation est dépendante de la
forme physique et géométrique des matériaux. Il convient d'utiliser des matériaux d'essai de formes physiques
et géométriques similaires si l'objectif est de comparer différentes sortes de plastique sur une durée identique.
Lorsque le matériau d'essai est sous forme de poudre, il convient d'utiliser des petites particules dont la
répartition granulométrique est connue. Une granulométrie avec un diamètre maximal de 250µm est
recommandée. Dans le cas où le matériau d'essai ne serait pas sous forme pulvérulente, il convient que sa
taille ne soit pas supérieure à 5mm×5mm. De même, la taille du dispositif d'essai peut dépendre de la forme
géométrique du matériau d'essai. Il convient de s'assurer qu'aucun fonctionnement mécanique aberrant
important ne se produit en raison de la configuration de l'équipement. Normalement, le traitement du matériau
d'essai n'influencera pas significativement son comportement de dégradation (par exemple utilisation de
poudre pour des composites).
Éventuellement, détecter la teneur en hydrogène, en oxygène, en azote, en phosphore et en soufre et la masse
moléculaire d'un matériau d'essai en utilisant, par exemple, la chromatographie d'exclusion stérique. Il est
préférable de mettre à l'essai des matériaux plastiques ne comportant pas d'additifs tels les plastifiants.
Lorsque les matériaux contiennent de tels additifs, il est nécessaire de disposer d'informations sur leur
biodégradabilité pour évaluer la biodégradabilité exacte du matériau polymérique.
Pour plus de précisions sur la manière de traiter des composés de faible solubilité dans l'eau, voir l'ISO 10634.
8.2 Préparation de la substance de référence
Utiliser, comme substance de référence, un polymère biodégradable bien défini (par exemple poudre de
cellulose microcristalline, filtres en cellulose sans cendres, ou poly-β-hydroxybutyrate) avec une
biodégradabilité similaire à celle du matériau d'essai. Si possible, il convient que la forme géométrique et la
taille de la substance de référence soient comparables au matériau d'essai.
Comme témoin négatif, il est possible d'utiliser une substance polymérique non biodégradable (par exemple
polyéthylène) se présentant sous la même forme que le matériau d'essai.
8.3 Préparation du sol d'essai
8.3.1 Collecte et tamisage du sol
Utiliser un sol naturel recueilli dans les couches superficielles des champs et/ou des forêts, ou un sol préexposé
aux matériaux d'essai. Tamiser le sol pour obtenir des particules de taille inférieure à 2mm et pour enlever les
matières végétales, les pierres et autres matériaux inertes bien visibles.
NOTE 1 Il est important d'enlever, dans toute la mesure du possible, les solides organiques comme la paille, car ils
peuvent se décomposer durant l'essai.
NOTE 2 Il est possible de préconditionner un sol, mais, normalement, il convient de ne pas utiliser un sol préexposé, en
particulier lorsque le comportement de biodégradation dans des environnements naturels est simulé. En fonction de
l'objectif de l'essai, il est aussi possible d'utiliser un sol préexposé, pour autant que cela figure clairement dans le rapport
d'essai (par exemple biodégradation en pourcentage =x %, en utilisant un sol préexposé) et que la méthode de pré-
exposition soit décrite en détail dans ce rapport. Il est possible d'obtenir un sol préexposé à partir d'essais de biodégradation
en laboratoire adaptés, réalisés dans diverses conditions ou sur des échantillons recueillis en des lieux où il existe des
conditions environnementales pertinentes (par exemple zones contaminées ou usines de traitement industriel).
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Consigner le site d'échantillonnage, son emplacement, la présence de plantes ou de cultures antérieures, la
date de l'échantillonnage, la profondeur de l'échantillonnage et l'histoire du terrain comportant, si possible, des
indications sur l'emploi d'engrais et de pesticides.
8.3.2 Mesure des caractéristiques du sol
Il est essentiel de connaître les caractéristiques du sol pour une interprétation complète des résultats de
l'étude. Il est par conséquent recommandé de réaliser au moins les essais suivants sur le sol sélectionné:
a) capacité totale de rétention d'eau, conformément à l'ISO 11274;
b) pH du sol, conformément à l'ISO 10390;
c) teneur en matière organique, conformément à l'ISO 10694.
8.3.3 Ajustement de la teneur en eau et du pH du sol
Ajuster la teneur en eau du sol à une valeur appropriée en fonction du matériau d'essai en ajoutant au sol la
quantité d'eau correspondante, ou en séchant le sol à l'air dans un lieu ombragé, puis en ajoutant la quantité
d'eau appropriée. Ajuster le pH du sol à une valeur comprise entre 6,0 et 8,0, s'il n'est pas déjà dans cette
plage.
NOTE 1 La teneur en eau optimale du sol d'essai dépend du matériau d'essai. Elle est en général comprise entre 40 % et
60 % de la capacité totale de rétention d'eau.
NOTE 2 Il est recommandé que le rapport du carbone organique présent dans le matériau d'essai ou la substance de
référence à l'azote présent dans le sol (rapport C:N) soit ajusté à au moins 40:1, s'il n'est pas déjà à ce niveau, pour assurer
ainsi une bonne biodégradation. Ce qui peut être effectué en ajoutant de l'azote, par exemple sous la forme d'une solution
aqueuse de chlorure d'ammonium.
8.3.4 Manipulation et stockage du sol
◦ ◦
4 C± 2 C
Conserver le sol dans un conteneur étanche à jusqu'à son utilisation pour l'essai. Ne pas
manipuler le sol d'une manière susceptible d'inhiber l'activité des micro-organismes présents dans le sol.
Il est important de suivre l'ISO 10381-6 pour s'assurer que l'activité microbienne du sol n'est pas perturbée par
l'échantillonnage.
8.4 Début et exécution de l’essai
Préparer un nombre suffisant de flacons pour l'essai, soit au moins:
a) deux flacons d'essai pour le matériau d'essai (symbole F );
T
b) deux flacons pour le témoin à blanc (symbole F );
B
c) deux flacons pour vérifier l'activité du sol à l'aide d'une substance de référence (symbole F );
C
et, s'il y a lieu:
d) un flacon pour vérifier la dégradation abiotique possible ou des modifications non biologiques dans le
matériau d'essai (symbole F );
S
e) un flacon pour vérifier l'effet inhibant possible du matériau d'essai (symbole F ).
I
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Déposer de 100 g à 300 g de sol (voir 8.3) au fond de chaque flacon avec une épaisseur ne dépassant pas
3cm et ajouter au sol le matériau d'essai (voir 8.1) ou la substance de référence (voir 8.2), conformément au
Tableau 1. Enregistrer le poids de chaque flacon contenant le mélange à analyser.
Tableau 1 — Répartition finale du matériau d'essai et de la substance de référence
Substance de
Flacon Matériau d’essai Sol d’essai
référence
F Essai + − +
T
F Essai + − +
T
F Blanc −− +
B
F Blanc −− +
B
F Vérification de l’activité du sol − ++
C
F Vérification de l’activité du sol − ++
C
F Vérification de l’activité abiotique (facultative) + −−
S
F Vérification de l’inhibition (facultative) +++
I
NOTE 1 Il est important que le matériau d'essai soit mélangé avec le sol de façon homogène dans le cas d'un matériau
d'essai en poudre et qu'il soit aussi largement réparti que possible dans le sol, dans le cas d'un film, afin d'améliorer le
contact du matériau d'essai avec les micro-organismes présents dans le sol. Il est aussi recommandé de presser la surface
du mélange d'essai avec une spatule pour améliorer le contact du matériau d'essai avec les micro-organismes présents
dans le sol.
NOTE 2 Il est possible d'utiliser trois flacons au lieu de deux pour le matériau d'essai, le témoin à blanc et la vérification de
l'activité du sol.
Placer les flacons dans un environnement à température constante (voir l'Article 5) et les laisser atteindre la
température souhaitée. Procéder à tous les raccordements au respiromètre ou au système de production d'air
exempt de dioxyde de carbone, puis commencer l'incubation.
Pour mesurer la consommation d'oxygène, procéder aux lectures nécessaires sur les manomètres (en cas de
lecture manuelle) ou vérifier que l'enregistreur de consommation d'oxygène fonctionne correctement
(respiromètre automatique), (voir l'Annexe A).
Pour mesurer le dioxyde de carbone libéré, mesurer à intervalles réguliers, en fonction de l'évolution du dioxyde
de carbone, la teneur en dioxyde de carbone libéré de chaque flacon en utilisant une méthode appropriée et
suffisamment exacte (voir les Annexes B et C).
Si le taux de biodégradation est jugé avoir ralenti en raison d'une dessiccation du sol d'essai durant l'essai,
arrêter les mesures e
...
Questions, Comments and Discussion
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