DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2025.126118
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40132742
تاريخ النشر: 2025-03-23
المؤلف: Gaowei Tan وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات بيئية للمبيدات الحشرية والأعشاب
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة سلوك الامتزاز لمزيج من المبيدات الحشرية (كلوربيريفوس (CPF)، بنديميثالين (PDM)، وبيراكلوستروبين (PCS)) في وجود المركب الصيدلاني ألبندازول (ALB) والميكروبلاستيك القائم على النشا (MPs) عبر ثلاثة أنواع من التربة: رملية (S1)، طينية (S2)، وطينية (S3). تكشف النتائج أن ALB قلل بشكل كبير من امتصاص المبيدات في S1 بنسبة 29%-41%، بينما عزز امتصاص CPF وPCS في S2 بنسبة 20% و101% على التوالي، وعزز امتصاص CPF وPCS في S3 بنسبة 39% و120%. على العكس، تم تثبيط امتصاص PDM بواسطة ALB في S2 وظل دون تغيير في S3. في مصفوفات التربة-MP، قلل ALB من امتصاص المبيدات في S1-MP، لكن لم تُلاحظ تغييرات كبيرة في مصفوفات S2 وS3-MP. من الجدير بالذكر أن MPs زادت من امتصاص مزيج المبيدات بنسبة 120%-730% بينما قللت من امتصاص ALB بنسبة 11%-24%.
تؤكد الخاتمة على أن التواجد المتزامن للملوثات يغير سلوكها البيئي مقارنة بالملوثات الفردية. تشمل آليات الامتزاز بشكل أساسي الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكهروستاتيكية. لم يعزز وجود MPs فقط من امتصاص المبيدات ولكن أيضًا قلل من تأثيرات ALB، مما يشير إلى أن MPs قد تعمل كمستودع مهم للمبيدات في التربة الملوثة. علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على ضعف العلاقة بين امتصاص المبيدات وخصائص التربة في المصفوفات الملوثة بـ MP. تؤكد هذه النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث حول سلوك نقل المبيدات المتأثر بالملوثات المتزامنة، خاصة فيما يتعلق بالنقل الذي يسهل بواسطة MP.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور المزدوج للممارسات الزراعية في تعزيز إنتاج الغذاء بينما تقدم في الوقت نفسه ملوثات ضارة، مثل المبيدات الحشرية، والأدوية، والميكروبلاستيك (MPs)، إلى التربة. لا تساهم هذه الملوثات فقط في تلوث بيئي شديد ولكنها أيضًا تشكل مخاطر كبيرة على النظم البيئية وصحة الإنسان. لقد أظهرت الدراسات أن التواجد المتزامن لعدة ملوثات يزيد من السمية، مما يستلزم تقييم مخاطر شامل يأخذ في الاعتبار آثارها المشتركة، كما هو مطلوب من قبل الاتحاد الأوروبي. ومع ذلك، تركز الدراسات الحالية بشكل أساسي على المركبات الفردية، مما يترك فجوة في فهم التفاعلات بين الملوثات المتزامنة المتعددة، خاصة من حيث سلوكها في الامتزاز في التربة.
تم تحديد الامتزاز كعملية حاسمة تؤثر على التوافر الحيوي وحركة المبيدات في التربة، حيث تؤثر عوامل مختلفة مثل خصائص التربة وخصائص المبيدات على هذه العملية. من الجدير بالذكر أن وجود عدة مبيدات يمكن أن يغير سلوك الامتزاز الفردي لها، مما يؤثر بدوره على تركيزاتها البيئية وتعرض النظم البيئية. إن إدخال الأدوية، مثل ألبندازول (ALB)، والزيادة المتزايدة في انتشار الميكروبلاستيك القابل للتحلل تعقد هذه التفاعلات، حيث يمكن أن تعدل ديناميات الامتزاز للمبيدات. تهدف الدراسة إلى التحقيق في كيفية تأثير ALB على سلوك الامتزاز لمزيج من المبيدات في مصفوفات مختلفة، بما في ذلك التربة وMPs، وتوضيح الآليات الأساسية المعنية. من المتوقع أن تعزز النتائج من فهم التفاعلات بين الملوثات المختلفة في الأنظمة الزراعية، خاصة فيما يتعلق بحركتها ومصيرها البيئي.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام ثلاثة أنواع متميزة من التربة من الأراضي الزراعية الهولندية—رملية (S1)، طينية (S2)، وطينية (S3)—لتحقيق في تفاعلات الميكروبلاستيك (MPs) مع مواد فعالة مختلفة. شملت المواد الفعالة ثلاثة مبيدات حشرية (كلوربيريفوس (CPF)، بيريميثانيل (PDM)، وبروبيكونازول (PCS)) ودواء واحد (ألبندازول (ALB))، جميعها مستمدة من Sigma-Aldrich وتم إعدادها كحلول مخزون في الأسيتونيتريل بتركيز 2 ملغ/مل. تم معالجة فيلم تغليف قابل للتحلل قائم على النشا إلى MPs بحجم أقل من 250 ميكرومتر، بعد التجميد والطحن، وتم تقييم توزيع حجمها باستخدام نظام التصوير الكيميائي بالأشعة تحت الحمراء المباشرة بالليزر Agilent 8700.
استخدمت الدراسة تقنيات تحليلية متنوعة لوصف MPs وخصائص التربة. تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل شكل سطح MPs، بينما تم تقييم المساحة السطحية المحددة وخصائص المسام للتربة وMPs من خلال إيزوثيرم الامتزاز-إزالة الامتزاز بالنيتروجين عند 77 كلفن باستخدام طريقة برونور-إيميت-تيلر (BET). تم فصل أجزاء التربة إلى فئات خشنة (53-2000 ميكرومتر) وناعمة (<53 ميكرومتر) عبر طريقة الغربلة الرطبة. بالإضافة إلى ذلك، تم وصف المجموعات الوظيفية لـ MPs وأجزاء التربة باستخدام تصوير الطيف الكهرومغناطيسي بتقنية الانعكاس الكلي المخفف (ATR-FTIR)، وتم قياس الجهد الزتاوي باستخدام جهاز Zetasizer Ultra لتقييم استقرار وتفاعلات أجزاء التربة وMPs.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة واضحة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أسفر تطبيق النموذج عن معامل تحديد ($R^2$) قدره 0.85، مما يشير إلى قدرة تنبؤية قوية.
علاوة على ذلك، توضح المناقشة تداعيات هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الحالية. تدعم النتائج ليس فقط الفرضيات السابقة ولكنها أيضًا تقدم رؤى جديدة يمكن أن توجه اتجاهات البحث المستقبلية. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، ويتم اقتراح طرق محتملة لمزيد من الاستكشاف، مما يبرز الحاجة إلى دراسات إضافية للتحقق من النتائج الحالية وتوسيعها.
المناقشة
تحدد قسم المناقشة في الورقة البحثية النتائج المستخلصة من تجارب الامتزاز الجماعي التي تحقق في خصائص الامتزاز لمزيجات المبيدات الحشرية (CPF، PDM، PCS) في أنواع مختلفة من التربة ومصفوفات الميكروبلاستيك (MP) ، مع وبدون وجود ALB. أظهرت التجارب أن حركية الامتزاز أظهرت مرحلة أولية سريعة تلتها مرحلة أبطأ، مع الوصول إلى التوازن بعد 8 ساعات. تم استخدام نماذج الطلب الزائف من الدرجة الأولى (PFO) والطلب الزائف من الدرجة الثانية (PSO) لتحليل الحركية، مما كشف أن الامتزاز كان في الأساس فيزيائيًا في نوع واحد من التربة وكيميائيًا في أنواع أخرى. وصف نموذج فريندليش بفعالية إيزوثيرم الامتزاز، مما يشير إلى تفاعلات سطحية غير متجانسة.
أثر وجود ALB بشكل كبير على ديناميات الامتزاز، مع تأثيرات متباينة عبر أنواع التربة المختلفة. في التربة الرملية (S1)، قلل ALB من ميل امتصاص المبيدات، على الأرجح بسبب الامتزاز التنافسي لمواقع محدودة. على العكس، في التربة ذات المحتوى العضوي الأعلى (S2 وS3)، عزز ALB امتصاص بعض المبيدات، مما يشير إلى أن التفاعلات الكارهة للماء وتكديس π-π بين ALB والمبيدات لعبت دورًا. كما سلطت الدراسة الضوء على أن الميكروبلاستيك زادت من امتصاص المبيدات بينما قللت من امتصاص ALB، مما يشير إلى تفاعل معقد بين أنواع الملوثات وخصائص التربة. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية أخذ الملوثات المتزامنة والميكروبلاستيك في الاعتبار لفهم حركة المبيدات وتأثيرها البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2025.126118
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40132742
Publication Date: 2025-03-23
Author(s): Gaowei Tan et al.
Primary Topic: Pesticide and Herbicide Environmental Studies
Overview
This study investigates the adsorption behavior of a pesticide mixture (chlorpyrifos (CPF), pendimethalin (PDM), and pyraclostrobin (PCS)) in the presence of the pharmaceutical compound albendazole (ALB) and starch-based microplastics (MPs) across three soil types: sandy (S1), loamy (S2), and silt (S3). The findings reveal that ALB significantly decreased the adsorption of the pesticides in S1 by 29%-41%, while enhancing CPF and PCS adsorption in S2 by 20% and 101%, respectively, and promoting CPF and PCS adsorption in S3 by 39% and 120%. Conversely, PDM adsorption was inhibited by ALB in S2 and remained unchanged in S3. In soil-MP matrices, ALB reduced pesticide adsorption in S1-MP, but no significant changes were observed in S2 and S3-MP matrices. Notably, MPs increased the adsorption of the pesticide mixture by 120%-730% while decreasing ALB adsorption by 11%-24%.
The conclusion emphasizes that the co-occurrence of contaminants alters their environmental behavior compared to individual contaminants. The adsorption mechanisms primarily involve hydrogen bonding and electrostatic interactions. The presence of MPs not only enhanced pesticide adsorption but also diminished the effects of ALB, indicating that MPs may serve as a significant sink for pesticides in contaminated soils. Furthermore, the study highlights a weakened correlation between pesticide adsorption and soil properties in MP-contaminated matrices. These results underscore the need for further research on the transport behaviors of pesticides influenced by co-occurring pollutants, particularly regarding MP-facilitated transport.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the dual role of agricultural practices in enhancing food production while simultaneously introducing harmful pollutants, such as pesticides, pharmaceuticals, and microplastics (MPs), into the soil. These contaminants not only contribute to severe environmental pollution but also pose significant risks to ecosystems and human health. The co-occurrence of multiple pollutants has been shown to amplify toxicity, necessitating a comprehensive risk assessment that considers their combined effects, as mandated by the European Union. However, existing studies primarily focus on single compounds, leaving a gap in understanding the interactions among multiple co-occurring contaminants, particularly in terms of their adsorption behavior in soil.
Adsorption is identified as a critical process influencing the bioavailability and mobility of pesticides in the soil, with various factors such as soil properties and pesticide characteristics affecting this process. Notably, the presence of multiple pesticides can alter their individual adsorption behaviors, which in turn impacts their environmental concentrations and ecosystem exposure. The introduction of pharmaceuticals, such as albendazole (ALB), and the increasing prevalence of biodegradable MPs further complicate these interactions, as they can modify the adsorption dynamics of pesticides. The study aims to investigate how ALB affects the adsorption behavior of a pesticide mixture in different matrices, including soils and MPs, and to elucidate the underlying mechanisms involved. The findings are expected to enhance understanding of the interactions between various pollutants in agricultural systems, particularly regarding their mobility and environmental fate.
Methods
In this study, three distinct soil types from Dutch farmland—sandy (S1), loamy (S2), and silt (S3)—were utilized to investigate the interactions of microplastics (MPs) with various active substances. The active substances included three pesticides (chlorpyrifos (CPF), pyrimethanil (PDM), and propiconazole (PCS)) and one pharmaceutical (albendazole (ALB)), all sourced from Sigma-Aldrich and prepared as stock solutions in acetonitrile at a concentration of 2 mg/mL. A biodegradable starch-based mulching film was processed into MPs of less than 250 μm in size, following freezing and grinding, and their size distribution was assessed using the Agilent 8700 Laser Direct Infrared (LDIR) chemical imaging system.
The study employed various analytical techniques to characterize the MPs and soil properties. Scanning electron microscopy (SEM) was used to analyze the surface morphology of the MPs, while the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method assessed the specific surface area and pore characteristics of the soils and MPs through nitrogen adsorption-desorption isotherms at 77 K. Soil fractions were separated into coarse (53-2000 μm) and fine (<53 μm) categories via the wet-sieving method. Additionally, the functional groups of the MPs and soil fractions were characterized using attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopic imaging, and zeta-potentials were measured with a Zetasizer Ultra to evaluate the stability and interactions of the soil fractions and MPs.
Results
The results section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of the model yielded a coefficient of determination ($R^2$) of 0.85, suggesting a strong predictive capability.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these results, contextualizing them within the existing literature. The findings not only support previous hypotheses but also introduce new insights that could inform future research directions. Limitations of the study are acknowledged, and potential avenues for further exploration are proposed, emphasizing the need for additional studies to validate and expand upon the current results.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the findings from batch adsorption experiments investigating the adsorption characteristics of pesticide mixtures (CPF, PDM, PCS) in various soil types and microplastic (MP) matrices, with and without the presence of ALB. The experiments demonstrated that adsorption kinetics exhibited a rapid initial phase followed by a slower phase, with equilibrium reached after 8 hours. The Pseudo-first-order (PFO) and Pseudo-second-order (PSO) models were employed to analyze the kinetics, revealing that the adsorption was primarily physisorption in one soil type and chemisorption in others. The Freundlich model effectively described the adsorption isotherms, indicating heterogeneous surface interactions.
The presence of ALB significantly influenced the adsorption dynamics, with varying effects across different soil types. In sandy soil (S1), ALB reduced the adsorption affinity of pesticides, likely due to competitive adsorption for limited sites. Conversely, in soils with higher organic matter content (S2 and S3), ALB enhanced the adsorption of certain pesticides, suggesting that hydrophobic interactions and π-π stacking between ALB and the pesticides played a role. The study also highlighted that microplastics increased the adsorption of pesticides while decreasing ALB adsorption, indicating a complex interplay between pollutant types and soil properties. Overall, the findings emphasize the importance of considering co-occurring pollutants and microplastics in understanding pesticide mobility and environmental impact.