DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-026-03237-0
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: Yingtong Zhou وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار تلوث الميكروبلاستيك على خصائص تربة الجذور وخصائص الجذور الدقيقة المرتبطة بالفطريات الميكوريزية الخارجية (ECM) والفطريات الميكوريزية الجذرية (AM) في غابة معتدلة مختلطة. تكشف النتائج أن إضافة الميكروبلاستيك تغير بشكل كبير ديناميات المغذيات: في التربة المرتبطة بـ ECM، هناك زيادة في توفر النيتروجين ونشاط نترات الاختزال، مصحوبة بانخفاض في توفر الفوسفور ونشاط الفوسفاتاز. على العكس من ذلك، تظهر التربة المرتبطة بـ AM الاتجاهات المعاكسة، مع انخفاض في النيتروجين ولكن زيادة في توفر الفوسفور ونشاط الفوسفاتاز الحمضي.
تختلف الاستجابات الشكلية للجذور تجاه وجود الميكروبلاستيك أيضًا بين أنواع الميكوريزا. تظهر جذور ECM تفرعًا أقل ولكن كثافة خيوط أعلى واستعمارًا، بينما تظهر جذور AM زيادة في طول الجذر المحدد وكثافة الطرف، إلى جانب انخفاض في سمك القشرة وكثافة الأنسجة. تشير هذه الاستجابات المتباينة إلى أن تلوث الميكروبلاستيك قد يعطل استراتيجيات اكتساب المغذيات في النظم البيئية للغابات، مما يؤثر على دورة الكربون والمغذيات ويؤثر على ديناميات تكوين أنواع الأشجار. بشكل عام، تؤكد الدراسة على الحاجة إلى النظر في التأثيرات المحددة للميكروبلاستيك على مختلف الارتباطات الميكوريزية داخل النظم البيئية للغابات.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القلق المتزايد بشأن الميكروبلاستيك – جزيئات البلاستيك التي تقل عن 5 مم – في النظم البيئية الأرضية، وخاصة تأثيرها على تربة الغابات وصحة النباتات. بينما تم توثيق آثار الميكروبلاستيك على البيئات المائية بشكل جيد، لا يزال تأثيرها على النظم البيئية الأرضية غير مستكشف بشكل كافٍ. تتراكم الميكروبلاستيك في تربة الغابات، مما يعيق بنية التربة وتوافر المغذيات، مما يمكن أن يعيق نمو النباتات ويزيد من الإجهاد التأكسدي. تبرز الورقة أن الشكل والتشريح لجذور الأشجار، وخاصة فيما يتعلق بالارتباطات الميكوريزية، يلعبان دورًا حاسمًا في اكتساب الموارد تحت ضغط الميكروبلاستيك.
تركز الدراسة على نوعين رئيسيين من الفطريات الميكوريزية: الفطريات الميكوريزية الجذرية (AM) والفطريات الميكوريزية الخارجية (ECM)، التي تسهل امتصاص المغذيات للنباتات. قد تساعد الفطريات AM في التخفيف من الآثار السلبية للميكروبلاستيك من خلال تثبيتها وتعزيز مرونة النباتات، بينما يمكن للفطريات ECM أن تحرك المغذيات من المصادر العضوية. يفترض المؤلفون أن تأثير الميكروبلاستيك على خصائص التربة سيختلف بناءً على الارتباطات الميكوريزية، متوقعين أن تتبنى الفطريات AM استراتيجية استكشاف جذور أكثر نشاطًا مقارنة بالفطريات ECM. تهدف هذه الدراسة إلى قياس التغيرات في خصائص التربة وتكيفات الجذور في غابة مختلطة من *Pinus koraiensis* في جبال تشانغباي، مما يساهم في فهم أفضل لكيفية تعديل الأشجار لاستراتيجيات اكتساب المغذيات استجابة لتلوث الميكروبلاستيك.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام طريقة حقيبة الجذور لعزل الجذور من أنواع مختلفة من الأشجار في غابة مختلطة، مع استهداف جذور خشبية سميكة من أشجار ناضجة. تضمنت الأشجار المختارة *Pinus koraiensis*، *Tilia amurensis*، *Populus amurense*، و*Juglans mandshurica*، بمتوسط أقطار عند ارتفاع الصدر يتراوح بين 16.6 سم و44.1 سم. تم حفر الجذور دون قطعها، وتم إزالة الجذور الدقيقة والجانبية قبل وضع الجذور السميكة في حقائب جذور بوليستر مليئة إما بتربة معالجة بالميكروبلاستيك (1% بوليسترين) أو تربة تحكم. تم إعداد ما مجموعه 48 حقيبة جذور لكل حالة وإعادة دفنها في الغابة، مع استردادها بعد حوالي 20 أسبوعًا للتحليل اللاحق.
تم إجراء قياسات خصائص الجذور باستخدام ماسح ضوئي Epson Perfection V700 وتم تحليلها باستخدام برنامج WinRhizo لتقييم معايير مختلفة، بما في ذلك متوسط قطر الجذر، الحجم، إجمالي أطراف الجذور، وطول الجذر. تم حساب مقاييس إضافية مثل نسبة التفرع، كثافة التفرع، كثافة أطراف الجذر، وكثافة طول الجذر. بعد التجفيف والوزن، خضعت عينات الجذور لتحليل كيميائي لتحديد محتوى الكربون والنيتروجين والفوسفور، إلى جانب نسبها المعنية. شمل التحليل التشريحي تضمين أطراف الجذور في البارافين، وقطع مقاطع عرضية، وقياس خصائص الجذر والأنسجة الوعائية باستخدام برنامج ImageJ. تم قياس استعمار الميكوريزا بناءً على طول الجذور المستعمرة بواسطة خيوط الفطريات الجذرية والخارجية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن إضافة الميكروبلاستيك، إلى جانب نوع الارتباط الميكوريزي، أثرت بشكل كبير على خصائص التربة المختلفة، مع استثناءات ملحوظة لاحتياطي الفوسفور الكلي (TP)، موصلية التربة (SCN)، إمكانات النيتروجين في التربة (SNP)، نيتروجين النترات (NO₃⁻-N)، الرقم الهيدروجيني، وبعض أنشطة الإنزيمات. على وجه التحديد، زادت إضافة الميكروبلاستيك من الكربون الكلي (TC)، النيتروجين الكلي (TN)، نيتروجين الأمونيوم (NH₄⁺-N)، ومحتوى الماء في التربة (SWC) في الارتباطات الميكوريزية الخارجية (ECM)، بينما أثرت سلبًا على هذه الخصائص في الارتباطات الميكوريزية الجذرية (AM)، باستثناء NH₄⁺-N، الذي ظل دون تغيير. بالإضافة إلى ذلك، شهدت الارتباطات ECM انخفاضًا في TP وpH، بينما أظهرت الارتباطات AM زيادة في pH والفوسفور المتاح (AP) بعد إضافة الميكروبلاستيك.
تأثرت خصائص الجذور أيضًا بشكل كبير بإضافة الميكروبلاستيك ونوع الميكوريزا، مع تفاعلات تؤثر على خصائص الجذر المختلفة. بالنسبة للارتباطات ECM، زادت خصائص الجذر مثل الكربون الجذري (RC) ونسبة الكربون إلى النيتروجين في الجذر (RCN) تحت معالجة الميكروبلاستيك، بينما انخفض نيتروجين الجذر (RN) وفوسفور الجذر (RP). على العكس من ذلك، أظهرت الارتباطات AM زيادة في طول الجذر المحدد (SRL) والقطر الكلي (TD) ولكن انخفاضًا في كثافة أنسجة الجذر (RTD) وخصائص أخرى. حدد تحليل التكرار TP وpH وNH₄⁺-N كعوامل رئيسية في التربة تؤثر على خصائص الجذر، بينما كشف تحليل المكونات الرئيسية عن تمايز واضح بين الارتباطات ECM وAM. علاوة على ذلك، أظهر نموذج المسار باستخدام المربعات الجزئية أن تأثيرات إضافة الميكروبلاستيك على خصائص الجذر كانت متوسطة بواسطة نوع الارتباط الميكوريزي، حيث أظهرت الارتباطات ECM تأثيرات سلبية غير مباشرة على خصائص الجذر الشكلية من خلال التغيرات الكيميائية في التربة، بينما شهدت الارتباطات AM تأثيرات غير مباشرة على خصائص الجذر عبر تعديلات مماثلة في التربة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم فحص آثار إضافة الميكروبلاستيك على خصائص التربة وخصائص الجذر في أنواع الارتباط الميكوريزي الخارجي (ECM) والميكوريزي الجذري (AM) داخل غابة مختلطة في جبال تشانغباي، الصين. أشارت النتائج إلى أن أنواع الارتباط ECM أظهرت زيادة في توفر النيتروجين ونشاط نترات الاختزال في تربة الجذور، إلى جانب انخفاض في الفوسفور المتاح. وهذا يشير إلى أن الميكروبلاستيك قد يعزز من تيسير النيتروجين ويعزز من التعايش مع ECM، ربما من خلال زيادة النشاط السابروتروفي وإنتاج الخيوط. على العكس من ذلك، أظهرت أنواع الارتباط AM انخفاضًا في توفر النيتروجين ولكن مستويات أعلى من الفوسفور، مما يشير إلى استراتيجية مختلفة لاكتساب المغذيات تحت تأثير الميكروبلاستيك.
كما أبرزت النتائج أن إضافة الميكروبلاستيك أدت إلى تغييرات كبيرة في شكل الجذر ومحتوى المغذيات، حيث أظهرت أشجار ECM أطوال جذور أقصر وكثافة خيوط أعلى، بينما زادت أشجار AM من طول الجذر المحدد وكثافة الطرف. تشير هذه التكيفات إلى أن الفطريات ECM قد تعتمد أكثر على الارتباطات الميكوريزية لاكتساب المغذيات، وخاصة الفوسفور، في التربة الملوثة بالميكروبلاستيك. في المقابل، يبدو أن الفطريات AM تتبنى استراتيجية تعتمد على الجذر، مما يعزز قدرات امتصاص ونقل نظام جذورها. بشكل عام، تؤكد الدراسة على الاستجابات المحددة للميكوريزا تجاه تلوث الميكروبلاستيك، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح الآليات الأساسية والآثار المترتبة على دورة المغذيات في النظم البيئية للغابات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-026-03237-0
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): Yingtong Zhou et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This study investigates the effects of microplastic pollution on rhizosphere soil properties and fine-root traits associated with ectomycorrhizal (ECM) and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi in a mixed temperate forest. The findings reveal that microplastic addition significantly alters nutrient dynamics: in ECM-associated soils, there is an increase in nitrogen availability and nitrate reductase activity, coupled with a decrease in phosphorus availability and phosphatase activity. Conversely, AM-associated soils exhibit the opposite trends, with lower nitrogen but higher phosphorus availability and acid phosphatase activity.
Morphological responses of roots to microplastic presence also differ between mycorrhizal types. ECM roots show reduced branching but increased hyphal density and colonization, while AM roots display increased specific root length and tip density, alongside decreased cortical thickness and tissue density. These divergent responses suggest that microplastic pollution may disrupt nutrient acquisition strategies in forest ecosystems, thereby affecting carbon and nutrient cycling and influencing tree species composition dynamics. Overall, the study underscores the need to consider the specific impacts of microplastics on different mycorrhizal associations within forest ecosystems.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the growing concern of microplastics—plastic particles smaller than 5 mm—in terrestrial ecosystems, particularly their impact on forest soils and plant health. While the effects of microplastics on aquatic environments are well-documented, their influence on terrestrial ecosystems remains underexplored. Microplastics accumulate in forest soils, impairing soil structure and nutrient availability, which can hinder plant growth and increase oxidative stress. The paper highlights that the morphology and anatomy of tree roots, particularly in relation to mycorrhizal associations, play a crucial role in resource acquisition under microplastic stress.
The study focuses on two main types of mycorrhizal fungi: arbuscular mycorrhizal (AM) and ectomycorrhizal (ECM) fungi, which facilitate nutrient uptake for plants. AM fungi may help mitigate the negative effects of microplastics by immobilizing them and enhancing plant resilience, while ECM fungi can mobilize nutrients from organic sources. The authors hypothesize that the impact of microplastics on soil properties will vary based on mycorrhizal associations, predicting that AM fungi will adopt a more proactive root exploration strategy compared to ECM fungi. This research aims to quantify the alterations in soil properties and root adaptations in a mixed Pinus koraiensis forest in the Changbai mountains, contributing to a better understanding of how trees adjust their nutrient acquisition strategies in response to microplastic pollution.
Methods
In this study, the root bag method was employed to isolate roots from various tree species in a mixed forest, specifically targeting woody coarse roots from mature trees. The trees selected included *Pinus koraiensis*, *Tilia amurensis*, *Populus amurense*, and *Juglans mandshurica*, with diameters at breast height averaging between 16.6 cm and 44.1 cm. The roots were excavated without severing them, and fine and lateral roots were removed before placing the coarse roots into polyester root bags filled with either microplastic-treated soil (1% polystyrene) or control soil. A total of 48 root bags for each condition were prepared and reburied in the forest, with retrieval occurring approximately 20 weeks later for subsequent analysis.
Root trait measurements were conducted using an Epson Perfection V700 scanner and analyzed with WinRhizo software to assess various parameters, including average root diameter, volume, total root tips, and root length. Additional metrics such as branching ratio, branching intensity, root tip density, and root length density were calculated. Following drying and weighing, root samples underwent chemical analysis to determine carbon, nitrogen, and phosphorus content, along with their respective ratios. Anatomical analysis involved embedding root tips in paraffin, cutting cross-sections, and measuring root and vascular characteristics using ImageJ software. Mycorrhizal colonization was quantified based on the length of roots colonized by arbuscular and extraradical hyphae.
Results
The results of the study indicate that the addition of microplastics, along with the type of mycorrhizal association, significantly influenced various soil properties, with notable exceptions for total phosphorus (TP), soil conductivity (SCN), soil nitrogen potential (SNP), nitrate nitrogen (NO₃⁻-N), pH, and certain enzyme activities. Specifically, microplastic addition enhanced total carbon (TC), total nitrogen (TN), ammonium nitrogen (NH₄⁺-N), and soil water content (SWC) in ectomycorrhizal (ECM) associations, while adversely affecting these properties in arbuscular mycorrhizal (AM) associations, except for NH₄⁺-N, which remained unchanged. Additionally, ECM associations experienced a decrease in TP and pH, while AM associations showed an increase in pH and available phosphorus (AP) following microplastic addition.
Root traits were also significantly affected by microplastic addition and mycorrhizal type, with interactions influencing various root characteristics. For ECM associations, root characteristics such as root carbon (RC) and root carbon nitrogen (RCN) increased under microplastic treatment, whereas root nitrogen (RN) and root phosphorus (RP) decreased. Conversely, AM associations exhibited increased specific root length (SRL) and total diameter (TD) but decreased root tissue density (RTD) and other traits. Redundancy analysis identified TP, pH, and NH₄⁺-N as key soil factors affecting root traits, while principal component analysis revealed distinct differentiation between ECM and AM associations. Furthermore, partial least squares path modeling demonstrated that the effects of microplastic addition on root traits were mediated by the type of mycorrhizal association, with ECM associations showing indirect negative impacts on root morphological traits through soil chemical alterations, while AM associations experienced indirect effects on root traits via similar soil modifications.
Discussion
In this study, the effects of microplastic addition on soil properties and root traits were examined in ectomycorrhizal (ECM) and arbuscular mycorrhizal (AM) association types within a mixed forest in Changbai Mountain, China. The results indicated that ECM association types exhibited increased nitrogen availability and nitrate reductase activity in the rhizosphere soil, alongside a decrease in available phosphorus. This suggests that microplastics may enhance nitrogen mineralization and promote ECM symbiosis, potentially through increased saprotrophic activity and hyphal production. Conversely, AM association types showed lower nitrogen availability but higher phosphorus levels, indicating a different nutrient acquisition strategy under microplastic influence.
The findings also highlighted that microplastic addition led to significant changes in root morphology and nutrient content, with ECM trees displaying shorter root lengths and denser hyphae, while AM trees increased specific root length and tip density. These adaptations suggest that ECM fungi may rely more on mycorrhizal associations for nutrient acquisition, particularly phosphorus, in microplastic-polluted soils. In contrast, AM fungi appear to adopt a root-dependent strategy, enhancing their root system’s absorption and transport capabilities. Overall, the study underscores the mycorrhiza-specific responses to microplastic pollution, emphasizing the need for further research to elucidate the underlying mechanisms and implications for nutrient cycling in forest ecosystems.