DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02237-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40225277
تاريخ النشر: 2025-04-09
المؤلف: Roman B. Schefer وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة نقل الميكروبلاستيك (MPs) وتأثيراتها على بنية التربة من خلال تجربة ميدانية استمرت عامين تضمنت 45 عمود تربة معاد تعبئته. استخدمت التجربة قطع وألياف من بولي إيثيلين تيريفثاليت المدعوم بالإنديوم، مع مجموعة تحكم تفتقر إلى الميكروبلاستيك. تم مراقبة هيكل مسام التربة عبر التصوير المقطعي بالأشعة السينية، بينما تم تقييم النقل العمودي للميكروبلاستيك باستخدام علامة الإنديوم. أشارت النتائج إلى أنه على مدار العامين، زاد حجم المسام الكبيرة، ونسبة المسام الحيوية، وقطر المسام الحرجة بغض النظر عن وجود الميكروبلاستيك، حيث وصل حوالي 1% فقط من MPs إلى عمق أقل من 8 سم في التربة. وهذا يشير إلى أن الميكروبلاستيك له تأثير ضئيل على بنية المسام الكبيرة في التربة ونقل محدود على المدى القصير.
تسلط النتائج الضوء على أنه بينما تم نقل بعض MPs إلى طبقات التربة الأعمق—من المحتمل بسبب التربة الحيوية—لم يؤثر شكلها بشكل كبير على هذا النقل. لاحظت الدراسة تغييرات كبيرة في بنية التربة مع مرور الوقت، تتميز بزيادة حجم المسام الكبيرة وزيادة حجم المسام الحيوية، بغض النظر عن إضافة الميكروبلاستيك. على الرغم من أن وجود MPs بتركيزات 1% من الوزن لم يعطل تشكيل بنية التربة، إلا أن التركيزات الأعلى في النقاط الساخنة المحلية قد تشكل مخاطر على خصائص التربة والعمليات البيولوجية. تؤكد الأبحاث على أهمية المراقبة المستمرة للميكروبلاستيك في التربة الزراعية وتدعو إلى تقليل استخدام البلاستيك مع استكشاف بدائل مستدامة، لضمان عدم إدخال مواد جديدة لمخاطر بيئية مماثلة.
طرق
استخدمت الدراسة تصميمًا تجريبيًا منظمًا للتحقيق في تأثير الميكروبلاستيك (MPs) على إنتاج المحاصيل ونقلها العمودي في التربة. في البداية، تم تخزين أعمدة التربة عند 4 °م في الظلام حتى تم إجراء مسح بالأشعة السينية في بداية التجربة (السنة 0). في 28 أكتوبر 2021، تم إعادة إدخال هذه الأعمدة إلى حقل مزروع بالقمح الشتوي عبر كامل القطعة. تم تقليل عدد الشتلات الزائدة يدويًا إلى ثلاثة لكل عمود في 3 نوفمبر 2021. تم حصاد القمح في 11 يوليو 2022، مع طرق حصاد محددة للأعمدة والحقل المحيط لتسهيل تحليل الإنتاج. بعد الحصاد، خضعت الأعمدة لمسح بالأشعة السينية الثاني في 9 أغسطس 2022، وتم اختيار مجموعة فرعية للتحليل التدميري لنقل MPs العمودي.
بعد التحليل الأولي، تم إعادة إدخال الأعمدة المتبقية إلى الحقل لمزيد من الحضانة، مع زراعة الشعير الشتوي في 3 أكتوبر 2022. تم اتباع إجراءات مماثلة للشعير، الذي تم حصاده في 22 يونيو 2023. حدث المسح النهائي بالأشعة السينية في 12 أكتوبر 2023، بعد ذلك تم تقسيم الأعمدة لفحص مفصل لنقل MPs. طوال التجربة، تم تخصيب الحقل وفقًا لأفضل الممارسات الزراعية، مما يضمن ظروف نمو مثالية للمحاصيل. توفر المواد التكميلية توثيقًا بصريًا لإعداد التجربة وتطور المحاصيل.
نتائج
في قسم النتائج، قامت الدراسة بتحليل شكل التربة من خلال فحص ثلاث مناطق اهتمام (ROIs) متميزة داخل أعمدة التربة. شملت ROI 1 العمود الكامل للتربة، بارتفاع 6.5 سم، وتم تقسيمها إلى ROI 2، وهو جزء بطول 1 سم في الأعلى حيث تم إدخال الميكروبلاستيك (MPs) في البداية، وROI 3، الجزء السفلي 4 سم المتوقع أن يحتوي على تراكم أقل من MPs. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم النقل العمودي لـ MPs عبر خمس طبقات من عمود التربة، حيث كانت الطبقات الأربع العليا كل منها بسمك 2 سم، بينما تراوحت الطبقة السفلى بين 0 و1 سم بسبب ضغط التربة مع مرور الوقت.
شمل التحليل تقييمات مفصلة لمحتوى MPs عبر هذه الطبقات، مع تقديم تفاصيل منهجية إضافية في قسم الطرق. تم تجميع التحليلات الإحصائية، بما في ذلك قيم p الدقيقة، وتقديرات النقاط، والأخطاء المعيارية، ودرجات الحرية لجميع مقاييس الشكل، في القسم التكميلية S11 (SI). يسمح هذا النهج الشامل بفهم دقيق لتوزيع MPs ونقلها داخل مصفوفة التربة.
مناقشة
في قسم المناقشة من ورقة البحث، يحلل المؤلفون التطور الزمني لأشكال التربة في الأعمدة الضابطة الخالية من الميكروبلاستيك (MPs) على مدار فترة عامين. لوحظت تغييرات كبيرة في بنية التربة، خاصة في منطقة الاهتمام (ROI) 3، حيث انخفضت المسامية الكبيرة بحوالي 8% بحلول السنة الثانية (p < 0.001)، وانخفضت مساحة سطح المسام الكبيرة بحوالي 50% (p < 0.001). لاحظت الدراسة تشكيلًا أوليًا لمسام كبيرة أكبر بحلول السنة الأولى، تلاها انخفاض في المسامية الكبيرة الإجمالية بحلول السنة الثانية، مما يعكس عمليات توطيد التربة النموذجية بعد الحراثة. يشير زيادة نسبة حجم المسام الحيوية ومساحة السطح إلى إعادة تنظيم مستمرة لبنية التربة، من المحتمل أن تتأثر بالتربة الحيوية والعوامل البيئية، مما يعزز تهوية التربة وموصلية المياه. على العكس، كان تأثير MPs على أشكال التربة ضئيلًا وعابرًا، حتى عند تركيز 1% من الوزن. لوحظت اختلافات أولية في المسامية الكبيرة في التربة المعالجة بـ PET MPs، لكن هذه الاختلافات تضاءلت مع مرور الوقت، مما يشير إلى أن العمليات الطبيعية للتربة مثل التربة الحيوية ونمو الجذور قد تخفف من آثار MPs. تبرز الدراسة مرونة أنظمة التربة في الحفاظ على الهيكل والوظيفة على الرغم من وجود MPs، على الرغم من أنها لا تستبعد التأثيرات السلبية المحتملة على الكائنات الحية في التربة وديناميات المادة العضوية. تم أيضًا تقييم النقل العمودي لـ MPs، مما كشف أن تركيزات MPs كانت الأعلى في الطبقات العليا من التربة، مع اختراق ضئيل يتجاوز 4 سم، مما يشير إلى معدلات هجرة بطيئة مقارنة بالملوثات الأخرى. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث في الآثار طويلة المدى لـ MPs على نظم التربة البيئية وتفاعلاتها مع مكونات التربة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02237-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40225277
Publication Date: 2025-04-09
Author(s): Roman B. Schefer et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This study investigates the transport of microplastics (MPs) and their effects on soil structure through a two-year field experiment involving 45 re-packed soil columns. The experiment utilized indium-doped polyethylene terephthalate fragments and fibers, with a control group lacking microplastics. Monitoring of soil pore structure was conducted via X-ray tomography, while the vertical transport of microplastics was assessed using the indium tracer. Results indicated that, over the two years, macropore volume, biopore fraction, and critical pore diameter increased regardless of microplastic presence, with only approximately 1% of MPs reaching below 8 cm in soil depth. This suggests that microplastics have a negligible impact on soil macropore architecture and limited short-term transport.
The findings highlight that while some MPs were transported to deeper soil layers—likely due to bioturbation—their shape did not significantly influence this transport. The study observed significant changes in soil structure over time, characterized by larger macropores and increased biopore volume, independent of microplastic addition. Although the presence of MPs at concentrations of 1% by weight did not disrupt soil structure formation, higher concentrations in localized hotspots could pose risks to soil properties and biological processes. The research underscores the importance of continued monitoring of microplastics in agricultural soils and advocates for reducing plastic use while exploring sustainable alternatives, ensuring that new materials do not introduce similar ecological risks.
Methods
The study employed a structured experimental design to investigate the impact of microplastics (MPs) on crop yield and their vertical transport in soil. Initially, soil columns were stored at 4 °C in darkness until X-ray scans were performed at the start of the experiment (year 0). On October 28, 2021, these columns were reintroduced into a field with winter wheat sown across the entire plot. Excess seedlings were manually thinned to three per column on November 3, 2021. The wheat was harvested on July 11, 2022, with specific harvesting methods for the columns and the surrounding field to facilitate yield analysis. Following the harvest, the columns underwent a second X-ray scan on August 9, 2022, and a subset was selected for destructive analysis of MP vertical transport.
Subsequent to the initial analysis, the remaining columns were reinserted into the field for further incubation, with winter barley sown on October 3, 2022. Similar procedures were followed for barley, which was harvested on June 22, 2023. The final X-ray scan occurred on October 12, 2023, after which the columns were sectioned for detailed examination of MP transport. Throughout the experiment, the field was fertilized according to agronomic best practices, ensuring optimal growth conditions for the crops. Supplementary materials provide visual documentation of the experimental setup and crop development.
Results
In the results section, the study analyzed soil morphology by examining three distinct regions of interest (ROIs) within the soil columns. ROI 1 encompassed the entire soil column, measuring 6.5 cm in height, and was subdivided into ROI 2, a 1 cm segment at the top where microplastics (MPs) were initially introduced, and ROI 3, the lower 4 cm expected to have reduced MPs accumulation. Additionally, the vertical transport of MPs was evaluated across five layers of the soil column, with the upper four layers each measuring 2 cm thick, while the lowest layer varied between 0 and 1 cm due to soil compaction over time.
The analysis included detailed assessments of MPs content across these layers, with further methodological specifics provided in the methods section. Statistical analyses, including exact p-values, point estimates, standard errors, and degrees of freedom for all morphology measures, are compiled in Supplementary Section S11 (SI). This comprehensive approach allows for a nuanced understanding of MPs distribution and transport within the soil matrix.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the authors analyze the temporal evolution of soil morphologies in control columns devoid of microplastics (MPs) over a two-year period. Significant changes were observed in the soil structure, particularly in Region of Interest (ROI) 3, where macroporosity decreased by approximately 8% by year 2 (p < 0.001), and the surface area of macropores reduced by around 50% (p < 0.001). The study noted an initial formation of larger macropores by year 1, followed by a decline in overall macroporosity by year 2, reflecting typical soil consolidation processes post-tillage. The increase in biopore volume fraction and surface area indicates ongoing soil structure reorganization, likely influenced by bioturbation and environmental factors, which enhance soil aeration and hydraulic conductivity. Conversely, the impact of MPs on soil morphologies was minimal and transient, even at a concentration of 1 wt.%. Initial differences in macroporosity were noted in soils treated with PET MPs, but these differences diminished over time, suggesting that natural soil processes such as bioturbation and root growth may mitigate the effects of MPs. The study highlights the resilience of soil systems in maintaining structure and function despite the presence of MPs, although it does not rule out potential negative impacts on soil biota and organic matter dynamics. The vertical transport of MPs was also assessed, revealing that MPs concentrations were highest in the upper soil layers, with minimal penetration beyond 4 cm, indicating slow migration rates compared to other contaminants. The findings underscore the need for further research into the long-term effects of MPs on soil ecosystems and their interactions with soil constituents.