DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-93668-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40119041
تاريخ النشر: 2025-03-21
المؤلف: Alireza Bakhshaee وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار تلوث الميكروبلاستيك (MP) على هيدرولوجيا التربة، مع التركيز على احتباس الرطوبة وإطلاقها في تربة الرمل والطين، وهو أمر مهم للممارسات الزراعية. تم إدخال ميكروبلاستيك عالي الكثافة (HDPE) بأحجام مختلفة (0.5-1 مم، 1-3 مم، و3-5 مم) وأشكال (ألياف، فيلم، وقطع) بمعدل تلوث منخفض قدره 0.01% وزن/وزن. تم تحليل منحنى احتباس الماء (WRC) باستخدام نماذج فان جينشتن لتحديد الماء المتاح للنباتات (PAW)، ونقطة الذبول (WP)، وسعة احتباس الماء (WHC).
تشير النتائج إلى أن وجود الميكروبلاستيك يؤثر بشكل كبير على WRC و PAW بشكل أساسي من خلال تغيير WHC، مع تأثير ضئيل على WP. على وجه التحديد، زادت قطع الميكروبلاستيك من WHC بنسبة 36.3%، بينما ساهمت الألياف والأفلام بنسبة 19.8% و 15.7% على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ اتجاه حيث زاد التأثير على WHC مع زيادة حجم جزيئات الميكروبلاستيك. تؤكد هذه النتائج على أهمية معالجة تلوث التربة بالميكروبلاستيك لحماية الإنتاجية الزراعية وإدارة المياه.
مقدمة
في مقدمة الدراسة، يصف المؤلفون منهجيتهم لضمان إزالة المواد العضوية الطبيعية (NOM) والخلفية والتلوث المحتمل بالميكروبلاستيك (MP) من عينات التربة. في البداية، تم غربلة التربة باستخدام شبكة 2 مم لاستبعاد جزيئات الميكروبلاستيك الأكبر، دون الكشف عن أي مواد بلاستيكية كبيرة. لإزالة بقايا الميكروبلاستيك الأصغر، تم حرق العينات عند 570 درجة مئوية لمدة 3 ساعات، وهو درجة حرارة كافية لتحلل البلاستيك، الذي عادة ما يتحلل بين 200 و 570 درجة مئوية.
بعد الاحتراق، استخدم الباحثون فصل الكثافة وميكروسكوب الفلورية لتأكيد غياب البلاستيك في عينات التربة. تم إجراء فصل الكثافة باستخدام محلول كلوريد الكالسيوم (CaCl₂) بكثافة تقارب 1.3 غم/سم³، وتم استخدام ميكروسكوب الفلورية (Olympus BX43) لتحديد وقياس أي جزيئات ميكروبلاستيك متبقية. استخدم الميكروسكوب فلتر ضوء أخضر مع أطوال موجية للإثارة والانبعاث تبلغ 470 نانومتر و 508 نانومتر، على التوالي، واستخدم صبغة Nile Red للتلوين بتركيز 50 ملغم/لتر. أكدت النتائج على النجاح في إزالة البلاستيك من عينات التربة، مما يضمن سلامة التحليلات اللاحقة.
طرق
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون الخصائص الهيدروليكية غير المشبعة للتربة الملوثة باستخدام أجهزة HYPROP2، التي تستخدم طريقة تبخر شيندلر. تم فحص 10 سيناريوهات تلوث، مقارنة عينات التربة الملوثة مع الضوابط النظيفة. كل عينة تتكون من 300 غرام من التربة الجافة مع 3% وزن/وزن من المواد العضوية الطبيعية (NOM)، مع إدخال التلوث عبر الميكروبلاستيك (MP) بتركيز 0.01%. تم اختبار ثلاثة أشكال من الميكروبلاستيك—فيلم، ألياف، وقطع—عبر ثلاث نطاقات حجمية: صغيرة (0.5-1 مم)، متوسطة (1-3 مم)، وكبيرة (3-5 مم). قيست نظام HYPROP2 معلمات رئيسية مثل محتوى الماء الحجمي، والتوصيل الهيدروليكي غير المشبع، وإمكانات مصفوفة التربة من 0 إلى -100 كيلو باسكال.
لزيادة كفاءة عملية التبخر، تم استخدام مصدر ضوء تحت الأحمر بقدرة 50 واط، مما قلل من مدة كل تجربة إلى حوالي 8 أيام. تناولت الدراسة أيضًا التحديات المتعلقة بارتفاعات الطاقة وانقطاعها من خلال استخدام مصدر طاقة غير منقطع (UPS) للحفاظ على سلامة التجربة. تم إجراء جميع التجارب في بيئة خاضعة للرقابة، مع مراقبة مستمرة لدرجة الحرارة والرطوبة لتقليل التباين. لضمان موثوقية النتائج، نفذ المؤلفون ثلاث تكرارات (N = 3) لكل حالة واستخدموا تحليلات إحصائية لمعالجة الشكوك الكامنة والأخطاء المحتملة في إعداد التجربة.
نتائج
في قسم النتائج، يقدم المؤلفون نتائجهم باستخدام ثلاثة تنسيقات متميزة—تنسيق الحجم، تنسيق الشكل، وتنسيق الحجم-الشكل المشترك—كل منها يستخدم رمز لون ورمز ثابت لتصنيف البيانات. على وجه التحديد، تمثل الدوائر السوداء الضوابط، مثلثات رمادية تشير إلى الألياف، مربعات برتقالية تشير إلى الأفلام، ونجوم بنفسجية تشير إلى القطع، كما هو موضح في الجدول SI-1. يقوم تنسيق الحجم بمتوسط البيانات بناءً فقط على أحجام الميكروبلاستيك (MP)، بينما يقوم تنسيق الشكل بتصنيف البيانات وفقًا لأشكال الميكروبلاستيك. يدمج التنسيق المشترك بين تصنيفات الحجم والشكل، كما هو موضح في الأشكال 2a-f.
توضح الأشكال 3a و3b سعة احتباس الماء (WRC) في تنسيقات الحجم والشكل، على التوالي. على سبيل المثال، يظهر الشكل 3a القيم المتوسطة للميكروبلاستيك الصغيرة (0.5-1 مم) عبر جميع الأشكال، بينما يقدم الشكل 3b القيم المتوسطة لجزيئات ألياف الميكروبلاستيك عبر أحجام مختلفة. يتم مناقشة المعلمات الرئيسية المستمدة من هذه WRCs، مثل سعة احتباس الماء (WHC)، وإمكانات الماء (WP)، والماء المتاح للنباتات (PAW)، في الأقسام اللاحقة. جميع البيانات الخام التي تدعم هذه النتائج متاحة في قسم المعلومات التكميلية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير للميكروبلاستيك (MP)، وخاصة البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، على خصائص احتباس الماء في التربة الرملية. وجدت الدراسة أن حتى تركيز منخفض قدره 0.01% من الميكروبلاستيك يمكن أن يعزز سعة احتباس الماء (WHC) والماء المتاح للنباتات (PAW)، مع ظهور القطع بأكثر التأثيرات وضوحًا، تليها الألياف والأفلام. ومع ذلك، كانت التأثيرات على نقطة الذبول (WP) غير ذات دلالة إحصائية، مما يشير إلى أنه بينما يمكن أن يحسن الميكروبلاستيك احتباس الرطوبة، قد يؤدي أيضًا إلى تحديات زراعية محتملة مثل تشبع المياه وانخفاض مستويات الأكسجين في التربة، مما قد يؤثر سلبًا على صحة النباتات.
تشير النتائج إلى أن الخصائص الشكلية للميكروبلاستيك، بما في ذلك الحجم والشكل، تلعب دورًا حاسمًا في تأثيرها على هيدرولوجيا التربة. كانت جزيئات الميكروبلاستيك الأكبر، وخاصة القطع والأفلام، مرتبطة بزيادات أكبر في WHC و PAW، على الأرجح بسبب قدرتها على تعطيل تصريف الجاذبية. على العكس، كانت الألياف لها تأثير أقل، ربما بسبب طبيعتها المرنة، التي تحد من تفاعلها مع ديناميات رطوبة التربة. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من البحث باستخدام تقنيات التصوير المتقدمة لفهم الآليات التي يؤثر بها الميكروبلاستيك على بنية التربة وديناميات المياه بشكل أفضل. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد على أهمية الممارسات المستدامة واللوائح الأكثر صرامة للتخفيف من تلوث الميكروبلاستيك في التربة الزراعية، حيث يمكن أن يكون لآثار الميكروبلاستيك على ديناميات المياه تأثيرات أوسع على الأمن الغذائي الإقليمي وصحة النظام البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-93668-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40119041
Publication Date: 2025-03-21
Author(s): Alireza Bakhshaee et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This study investigates the effects of microplastic (MP) pollution on soil hydrology, focusing on moisture retention and release in sandy loam soil, which is significant for agricultural practices. High-Density Polyethylene (HDPE) MPs of varying sizes (0.5-1 mm, 1-3 mm, and 3-5 mm) and shapes (fiber, film, and fragment) were introduced at a low contamination rate of 0.01% w/w. The water retention curve (WRC) was analyzed using Van Genuchten models to determine plant available water (PAW), wilting point (WP), and water holding capacity (WHC).
The results indicate that the presence of MPs significantly influences the WRC and PAW primarily by altering WHC, with minimal effect on WP. Specifically, fragment MPs increased WHC by 36.3%, while fibers and films contributed 19.8% and 15.7%, respectively. Additionally, a trend was observed where the impact on WHC intensified with larger MP particle sizes. These findings underscore the importance of addressing soil MP pollution to safeguard agricultural productivity and water management.
Introduction
In the introduction of the study, the authors describe their methodology for ensuring the removal of background natural organic matter (NOM) and potential microplastic (MP) contamination from soil samples. Initially, soils were sieved using a 2-mm mesh to exclude larger MP particles, with no significant plastic matter detected. To further eliminate smaller MP remnants, the samples were combusted at 570 °C for 3 hours, a temperature sufficient to decompose plastics, which typically degrade between 200 and 570 °C.
Following combustion, the researchers employed density separation and fluorescence microscopy to confirm the absence of plastics in the soil samples. Density separation was performed using a calcium chloride (CaCl₂) solution with a density of approximately 1.3 g/cm³, and fluorescence microscopy (Olympus BX43) was utilized to identify and quantify any remaining MP particles. The microscopy employed a green light filter with excitation and emission wavelengths of 470 nm and 508 nm, respectively, and utilized Nile Red dye for staining at a concentration of 50 mg/L. The results affirmed the successful removal of plastics from the soil samples, ensuring the integrity of subsequent analyses.
Methods
In this study, the authors investigated the unsaturated hydraulic characteristics of contaminated soil using HYPROP2 devices, which employ Schindler’s evaporation method. A total of 10 contamination scenarios were examined, comparing contaminated soil samples with clean controls. Each sample consisted of 300 g of dry soil with 3% w/w natural organic matter (NOM), with contamination introduced via microplastics (MP) at a concentration of 0.01%. Three shapes of MP—film, fiber, and fragment—were tested across three size ranges: small (0.5-1 mm), medium (1-3 mm), and large (3-5 mm). The HYPROP2 system measured key parameters such as volumetric water content, unsaturated hydraulic conductivity, and soil matric potential from 0 to -100 kPa.
To enhance the efficiency of the evaporation process, a 50-W infrared light source was employed, reducing the duration of each experimental run to approximately 8 days. The study also addressed challenges related to power surges and outages by utilizing an uninterruptible power supply (UPS) to maintain experimental integrity. All experiments were conducted in a controlled environment, with continuous monitoring of temperature and humidity to minimize variability. To ensure the reliability of the results, the authors implemented three replicates (N = 3) for each condition and employed statistical analyses to address inherent uncertainties and potential errors in the experimental setup.
Results
In the Results section, the authors present their findings using three distinct formats—size format, shape format, and combined size-shape format—each employing a consistent color and symbol code to categorize the data. Specifically, black circles represent control, grey triangles denote fibers, orange squares indicate films, and purple stars signify fragments, as detailed in Table SI-1. The size format averages data based solely on the sizes of microplastics (MP), while the shape format categorizes data according to the shapes of MP. The combined format integrates both size and shape classifications, exemplified in Figures 2a-f.
Figures 3a and 3b illustrate the Water Retention Capacity (WRC) in size and shape formats, respectively. For instance, Figure 3a shows the average values of small MP (0.5-1 mm) across all shapes, while Figure 3b presents the average values of fiber MP particles across various sizes. Key parameters derived from these WRCs, such as Water Holding Capacity (WHC), Water Potential (WP), and Plant Available Water (PAW), are discussed in subsequent sections. All raw data supporting these findings are accessible in the supplementary information section.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant impact of microplastics (MP), particularly high-density polyethylene (HDPE), on the water retention characteristics of sandy loam soils. The study found that even a low concentration of 0.01% MP can enhance water holding capacity (WHC) and plant available water (PAW), with fragments showing the most pronounced effects, followed by fibers and films. However, the effects on wilting point (WP) were statistically insignificant, indicating that while MP can improve moisture retention, it may also lead to potential agricultural challenges such as waterlogging and reduced soil oxygen levels, which could adversely affect plant health.
The findings suggest that the morphological characteristics of MP, including size and shape, play a crucial role in their influence on soil hydrology. Larger MP particles, particularly fragments and films, were associated with greater increases in WHC and PAW, likely due to their ability to disrupt gravitational drainage. Conversely, fibers exhibited less impact, potentially due to their flexible nature, which limits their interaction with soil moisture dynamics. The study underscores the need for further research using advanced imaging techniques to better understand the mechanisms by which MP affect soil structure and water dynamics. Additionally, it emphasizes the importance of sustainable practices and stricter regulations to mitigate MP contamination in agricultural soils, as the implications of MP on water dynamics could have broader effects on regional food security and ecosystem health.