DOI: https://doi.org/10.1007/s44246-024-00124-1
تاريخ النشر: 2024-04-19
المؤلف: Yalan Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على التأثير الكبير للميكروبلاستيك (MPs) على خصائص التربة وديناميكياتها، مع التأكيد على دورها كملوث متزايد في النظم البيئية الأرضية. يمكن أن تغير الميكروبلاستيك الخصائص الفيزيائية والكيميائية الرئيسية للتربة، مثل الكثافة الظاهرة ودرجة الحموضة، مما يؤدي بدوره إلى تدهور المواطن الميكروبية وتعطيل نمو النباتات. كما أنها تتداخل مع تقييمات الكربون في التربة من خلال إدخال الكربون البلاستيكي والمياه الناتجة، مما يؤثر على دوران المادة العضوية في التربة (SOM) من خلال آليات مختلفة، بما في ذلك التخفيف وتغيير الركيزة. من الجدير بالذكر أن الميكروبلاستيك تؤثر على توزيع الكربون في التربة بين المادة العضوية المرتبطة بالجزيئات والمعدنية، مما يؤثر على تراكم الكربون واستقراره.
بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود الميكروبلاستيك يعدل التنوع الكيميائي للمادة العضوية المذابة (DOM) في التربة، مما يزيد من عطرها ووزنها الجزيئي بينما يعزز من تحللها. يرتبط هذا التغيير بالتفاعلات بين DOM المستمد من الميكروبلاستيك وعمليات التحلل الميكروبي. آثار الميكروبلاستيك على الكتلة الميكروبية المعطلة معقدة؛ حيث تميل الميكروبلاستيك التقليدية إلى تقليل المساهمات الميكروبية في خزانات الكربون المستقرة في التربة، بينما قد تعزز الميكروبلاستيك الحيوية منها. علاوة على ذلك، تؤثر الميكروبلاستيك على أداء النباتات من خلال آليات داخلية وخارجية، مما يؤثر على إنبات البذور ونموها بينما قد تسبب سمية بيئية. يُشجع على إجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف المزيد من الآثار المترتبة على الميكروبلاستيك على الكتلة الميكروبية المعطلة وتخزين الكربون، لا سيما فيما يتعلق بديناميات منطقة الجذور واستقرار الرواسب الجذرية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التراكم الكبير للميكروبلاستيك في البيئات الأرضية، التي تستقبل 4-23 مرة من نفايات البلاستيك سنويًا أكثر من النظم البيئية البحرية. بعد دعوة لإجراء أبحاث في عام 2012، أكدت الدراسات وجود الميكروبلاستيك في أنواع مختلفة من التربة على مستوى العالم، مع تركيزات تتراوح من مستويات الأساس البالغة 20 ملغ كغ$^{-1}$ في المناطق المأهولة إلى ما يصل إلى 67,500 ملغ كغ$^{-1}$ في التربة الصناعية. تشمل المصادر الرئيسية لهذه الميكروبلاستيك الحمأة الناتجة عن الصرف الصحي، وممارسات الري، والتسميد، والترسيب الجوي، وسوء إدارة نفايات البلاستيك. إن استمرار وجودها في التربة يشكل مخاطر بيئية مستمرة، مما يدفع إلى تحول في تركيز الأبحاث نحو فهم آثارها على النظم البيئية للتربة.
تهدف المراجعة إلى استكشاف منطقتين رئيسيتين: آثار الميكروبلاستيك على ديناميات المادة العضوية في التربة (SOM)، لا سيما على المادة العضوية المذابة (DOM) والكربون في الكتلة الميكروبية المعطلة، وتأثيرها على أداء النباتات واستجابتها لمؤثرات الميكروبلاستيك. يمكن أن تغير الميكروبلاستيك الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، وتعطل المجتمعات الميكروبية، وتؤثر على دورة العناصر الغذائية، بما في ذلك دورة الكربون. تؤكد المقدمة على الحاجة إلى فهم شامل لهذه التفاعلات لمعالجة الآثار البيئية لتلوث الميكروبلاستيك في التربة، فضلاً عن التهديدات المحتملة لصحة الإنسان من خلال سلسلة الغذاء بسبب تراكم السموم على الحطام البلاستيكي.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثيرات المتعددة الأوجه للميكروبلاستيك على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، والتي تؤثر بدورها على المواطن الميكروبية، وديناميات الكربون العضوي، ونمو النباتات. يمكن أن تغير الميكروبلاستيك الكثافة الظاهرة للتربة، والتمعدن، ودرجة الحموضة، مع اختلاف تأثيراتها بناءً على نوع البوليمر، والحجم، والشكل، وخصائص التربة. على سبيل المثال، بينما تقلل الميكروبلاستيك عمومًا من الكثافة الظاهرة للتربة، فإن هذا لا يتوافق بالضرورة مع تحسين نمو الجذور بسبب الانخفاض المحتمل في تمعدن التربة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تعدل الميكروبلاستيك استقرار الكتل الترابية، مما يؤثر على احتباس الماء والنشاط الميكروبي، مع عرض أنواع البوليمر المختلفة درجات متفاوتة من الاندماج في الكتل الترابية.
يتناول القسم أيضًا آثار الميكروبلاستيك على خصوبة التربة ودورة العناصر الغذائية، مشيرًا إلى أنها يمكن أن تعزز تركيزات المادة العضوية المذابة (DOM) ولكن قد تقلل أيضًا من خصوبة التربة في ظل ظروف معينة. إن إمكانية عمل الميكروبلاستيك كمصادر كربون خاملة تعقد فهم ديناميات الكربون في التربة، حيث يمكن الخلط بينها وبين تخزين الكربون في التربة بينما تساهم في انبعاثات CO2 من خلال عمليات التحلل البطيء. علاوة على ذلك، فإن المياه الناتجة عن الميكروبلاستيك تقدم تعقيدات إضافية، حيث تعمل كخزانات كربون نشطة يمكن أن تؤثر على المجتمعات الميكروبية ودوران المادة العضوية في التربة. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في الآثار طويلة الأجل للميكروبلاستيك على النظم البيئية للتربة، لا سيما فيما يتعلق بتفاعلاتها مع الكائنات الحية في التربة وديناميات المادة العضوية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44246-024-00124-1
Publication Date: 2024-04-19
Author(s): Yalan Chen et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
The research highlights the significant impact of microplastics (MPs) on soil properties and dynamics, emphasizing their role as a growing contaminant in terrestrial ecosystems. MPs can alter key physicochemical properties of soil, such as bulk density and pH, which in turn degrade microbial habitats and disrupt plant growth. They also interfere with soil carbon assessments by introducing plastic-carbon and associated leachates, thereby affecting soil organic matter (SOM) turnover through various mechanisms, including dilution and substrate switching. Notably, MPs influence the distribution of soil carbon between particulate and mineral-associated organic matter, impacting carbon accumulation and stability.
Additionally, the presence of MPs modifies the chemodiversity of dissolved organic matter (DOM) in soils, increasing its aromaticity and molecular weight while enhancing its humification. This alteration is linked to interactions between microplastic-derived DOM and microbial degradation processes. The effects of MPs on microbial necromass are complex; conventional MPs tend to decrease microbial contributions to stable soil carbon pools, whereas bio-MPs may enhance them. Furthermore, MPs affect plant performance through both internal and external mechanisms, influencing seed germination and growth while potentially inducing ecotoxicity. Future research is encouraged to further explore the implications of MPs on microbial necromass and carbon storage, particularly in relation to rhizosphere dynamics and the stabilization of rhizodeposits.
Introduction
The introduction highlights the significant accumulation of microplastics in terrestrial environments, which receive 4-23 times more plastic waste annually than marine ecosystems. Following a call for research in 2012, studies have confirmed the presence of microplastics in various soil types globally, with concentrations ranging from baseline levels of 20 mg kg$^{-1}$ in inhabited areas to as high as 67,500 mg kg$^{-1}$ in industrial soils. The primary sources of these microplastics include sewage sludge, irrigation practices, composting, atmospheric deposition, and plastic waste mismanagement. Their persistence in soil poses ongoing ecological risks, prompting a shift in research focus towards understanding their impacts on soil ecosystems.
The review aims to explore two main areas: the effects of microplastics on soil organic matter (SOM) dynamics, particularly on dissolved organic matter (DOM) and microbial necromass carbon, and their influence on plant performance and responses to microplastic stressors. Microplastics can alter soil physicochemical properties, disrupt microbial communities, and affect nutrient cycling, including the carbon cycle. The introduction emphasizes the need for a comprehensive understanding of these interactions to address the ecological implications of microplastic contamination in soils, as well as the potential threats to human health through the food chain due to the accumulation of toxins on plastic debris.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the multifaceted effects of microplastics on soil physicochemical properties, which subsequently influence microbial habitats, organic carbon dynamics, and plant growth. Microplastics can alter soil bulk density, porosity, and pH, with their effects varying based on polymer type, size, shape, and soil characteristics. For instance, while microplastics generally reduce soil bulk density, this does not necessarily correlate with improved root growth due to potential decreases in soil porosity. Additionally, microplastics can modify soil aggregate stability, impacting water retention and microbial activity, with different polymer types exhibiting varying degrees of integration into soil aggregates.
The section also addresses the implications of microplastics on soil fertility and nutrient cycling, noting that they can enhance dissolved organic matter (DOM) concentrations but may also diminish soil fertility under certain conditions. The potential for microplastics to act as inert carbon sources complicates the understanding of soil carbon dynamics, as they can be mistaken for soil carbon storage while contributing to CO2 emissions through slow degradation processes. Furthermore, the leachates from microplastics introduce additional complexities, serving as active carbon pools that can influence microbial communities and soil organic matter turnover. Overall, the research underscores the need for further investigation into the long-term impacts of microplastics on soil ecosystems, particularly regarding their interactions with soil biota and organic matter dynamics.