DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1513890
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39911709
تاريخ النشر: 2025-01-21
المؤلف: Sheng Lai وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس الدراسة المخاطر البيئية المرتبطة بالبلاستيك القابل للتحلل، وتحديداً تأثيره على بيئة التربة في منطقة الجذور للأرز. تقارن بين الميكروبلاستيك التقليدي (PE-MPs)، والميكروبلاستيك القابل للتحلل (PLA-MPs)، والميكروبلاستيك القابل للتحلل المتقدم (aging-PLA-MPs). تشير النتائج إلى أن الميكروبلاستيك يقلل بشكل عام من محتوى النيتروجين (N) والفوسفور (P) في التربة، حيث زادت مستويات الكربون العضوي المذاب (DOC) بشكل كبير بواسطة PLA و aging-PLA بنسبة 21.13% و 24.04% على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، بينما قلل الميكروبلاستيك من نشاط إنزيمات التربة، أظهر aging-PLA تأثيراً منشطاً على نشاط الإنزيم مقارنة بـ PLA. تسلط الدراسة أيضاً الضوء على أن الميكروبلاستيك يؤثر سلباً على تنوع البكتيريا في التربة وبنية المجتمع، حيث يعتبر PLA ضاراً بشكل خاص.
في الختام، يؤدي إدخال الميكروبلاستيك إلى تغيير العناصر الغذائية في التربة، وأنشطة الإنزيمات، والمجتمعات الميكروبية. يؤثر الميكروبلاستيك التقليدي بشكل أساسي على العناصر الغذائية في التربة وأنشطة الإنزيمات، بينما يعزز الميكروبلاستيك القابل للتحلل بعض العناصر الغذائية في التربة ولكنه يعطل هياكل المجتمعات الميكروبية بسبب إطلاق الإضافات الداخلية أثناء التحلل. يبدو أن تقدم عمر الميكروبلاستيك يخفف بعض الآثار السلبية، على الرغم من أن دوره في تحويل الميكروبلاستيك إلى نانو بلاستيك قد يكون أكثر ضرراً لا يزال غير مؤكد. يقترح المؤلفون أن البحث المستقبلي يجب أن يستكشف الآثار الشاملة للميكروبلاستيك على نظام “التربة-النبات” عبر أنواع نباتية مختلفة لفهم آثارها البيئية بشكل أفضل.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التأثير البيئي الكبير للميكروبلاستيك (MPs)، خاصة في النظم البيئية الأرضية. يُعرف الميكروبلاستيك بأنه قطع بلاستيكية أصغر من 5 مم، وهي شائعة في التربة ويمكن أن تعطل خصائص التربة، مما يؤثر على الحياة الحيوانية في التربة والنباتات والميكروبات. تشير الدراسات إلى أن البيئات الأرضية قد تحتوي على 4 إلى 23 مرة أكثر من الميكروبلاستيك مقارنة بالبيئات البحرية، مما يؤدي إلى تغييرات في بنية التربة، والتمعدن، ودورة العناصر الغذائية. على سبيل المثال، أفاد تشو وآخرون (2024) بتقليل كثافة التربة الكلية بأكثر من 15% بسبب ارتباط الميكروبلاستيك مع كتل التربة، مما يؤثر سلباً على نمو المحاصيل. علاوة على ذلك، قد تشكل الميكروبلاستيك القابلة للتحلل، رغم استخدامها المتزايد، مخاطر إضافية من خلال تعطيل المجتمعات الميكروبية في التربة ودورة العناصر الغذائية.
تناقش المقدمة أيضاً عملية تقدم عمر الميكروبلاستيك، التي تعزز خصائص الامتصاص لديها وسميتها المحتملة. يمكن أن تمتص الميكروبلاستيك المتقدمة المعادن الثقيلة والمواد العضوية، مما يزيد من المخاطر البيئية. تؤكد الورقة على الحاجة إلى مزيد من البحث حول تقدم عمر الميكروبلاستيك وتفاعلاتها في البيئة، خاصة في سياق الأنظمة الزراعية. تهدف الدراسة إلى التحقيق في آثار الميكروبلاستيك التقليدي والقابل للتحلل والميكروبلاستيك القابل للتحلل المتقدم على خصائص التربة في منطقة الجذور والمجتمعات الميكروبية للأرز، مقترحة فرضيات حول تأثيرها على بيئات التربة. من المتوقع أن تسهم النتائج في فهم المخاطر البيئية للميكروبلاستيك وقابلية البدائل القابلة للتحلل في الزراعة.
الطرق
في هذه الدراسة، كان التصميم التجريبي يهدف إلى محاكاة تلوث الميكروبلاستيك المستقبلي في تربة الأراضي الزراعية من خلال تحديد تركيز الوزن الجاف للميكروبلاستيك عند 1%، مستهدفاً بشكل خاص نطاق حجم الجسيمات من 35-48 ميكرومتر. تم اختيار هذا التركيز ليعكس سيناريوهات التلوث المحلية المحتملة، مثل المناطق التي تحتوي على قطع من الأفلام الزراعية المركزة، بالإضافة إلى تسليط الضوء على المخاطر البيئية التي تشكلها الميكروبلاستيك بهذا الحجم بسبب ميلها للتشتت. شمل الإعداد التجريبي مجموعة تحكم فارغة (CK) وثلاث مجموعات معالجة: ميكروبلاستيك البولي إيثيلين (PE-MPs)، وميكروبلاستيك حمض البولي لاكتيك (PLA-MPs)، وميكروبلاستيك حمض البولي لاكتيك المتقدم (APLA-MPs)، مع تكرار كل مجموعة ثلاث مرات.
تم زراعة بذور الأرز ذات الإنبات المتجانس في بيئة محكومة، مع الحفاظ على ظروف محددة من درجة الحرارة، وشدة الضوء، والرطوبة. بعد أربعة أسابيع، تم جمع عينات من تربة منطقة الجذور عن طريق هز نباتات الأرز بعناية للحفاظ على أنظمة جذرها وإزالة التربة السائبة. تم تقسيم تربة منطقة الجذور المجمعة إلى جزئين: تم تجفيف أحدهما بالهواء لتحليل محتوى العناصر الغذائية في التربة ونشاط الإنزيمات، بينما تم تخزين الآخر عند -80 درجة مئوية لاستخراج الحمض النووي البكتيري في التربة لاحقاً. يسمح هذا النهج المنهجي بتقييم شامل لتأثير الميكروبلاستيك على صحة التربة والمجتمعات الميكروبية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الآثار الضارة لمختلف الميكروبلاستيك على صحة التربة، مع التركيز بشكل خاص على تأثيرها على محتوى العناصر الغذائية، ونشاط الإنزيمات، وتنوع الميكروبات. أدى التعرض لميكروبلاستيك البولي إيثيلين (PE-MPs) وميكروبلاستيك حمض البولي لاكتيك (PLA-MPs) إلى تقليل مستويات العناصر الغذائية في التربة بشكل كبير، بما في ذلك النيتروجين الكلي والفوسفور المتاح، بينما زادت مستويات الكربون العضوي المذاب (DOC)، خاصة مع الميكروبلاستيك القابل للتحلل. من الجدير بالذكر أن الدراسة وجدت أن ميكروبلاستيك حمض البولي لاكتيك المتقدم (APLA-MPs) أظهر سمية أقل مقارنة بنظائره غير المتقدمة، مما يشير إلى أن تقدم العمر قد يخفف بعض الآثار السلبية على أنظمة التربة.
كشفت تحليل أنشطة إنزيمات التربة أن الميكروبلاستيك أثر سلباً على الإنزيمات الرئيسية، حيث أدى PE-MPs وPLA-MPs إلى تقليل كبير في أنشطة السكراز، واليورياز، والكاتالاز. على العكس، بدا أن APLA-MPs تعزز بعض أنشطة الإنزيمات، مما يشير إلى تفاعل معقد بين الميكروبلاستيك وديناميات الميكروبات في التربة. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسة أن التعرض للميكروبلاستيك قلل من تنوع البكتيريا في التربة، حيث كان لـ PLA-MPs التأثير السلبي الأكثر وضوحاً. كانت عملية تقدم عمر PLA-MPs مرتبطة بزيادة في تنوع الميكروبات، مما يشير إلى أن التغيرات الهيكلية في الميكروبلاستيك المتقدم قد تعزز مجتمعاً ميكروبياً أكثر تعقيداً. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث حول الآثار طويلة الأمد للميكروبلاستيك على النظم البيئية للتربة وإنتاجية الزراعة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1513890
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39911709
Publication Date: 2025-01-21
Author(s): Sheng Lai et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
The study investigates the ecological risks associated with biodegradable plastics, specifically their impact on the rhizosphere soil environment of rice. It compares conventional microplastics (PE-MPs), biodegradable microplastics (PLA-MPs), and aged biodegradable microplastics (aging-PLA-MPs). Findings indicate that microplastics generally reduce soil nitrogen (N) and phosphorus (P) content, with PLA and aging-PLA significantly increasing dissolved organic carbon (DOC) levels by 21.13% and 24.04%, respectively. Additionally, while microplastics decreased soil enzyme activity, aging-PLA exhibited a stimulatory effect on enzyme activity compared to PLA. The study also highlights that microplastics negatively impact soil bacterial diversity and community structure, with PLA being particularly detrimental.
In conclusion, the introduction of microplastics alters soil nutrients, enzyme activities, and microbial communities. Conventional microplastics primarily affect soil nutrients and enzyme activities, while biodegradable microplastics enhance certain soil nutrients but disrupt microbial community structures due to the release of internal additives during degradation. The aging of microplastics appears to mitigate some negative effects, although its role in transforming microplastics into potentially more harmful nanoplastics remains uncertain. The authors suggest that future research should explore the comprehensive effects of microplastics on the “soil-plant” system across various plant species to better understand their ecological implications.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant environmental impact of microplastics (MPs), particularly in terrestrial ecosystems. MPs, defined as plastic fragments smaller than 5 mm, are prevalent in soil and can disrupt soil properties, affecting soil fauna, plants, and microorganisms. Studies indicate that terrestrial environments may harbor 4 to 23 times more microplastics than marine environments, leading to alterations in soil structure, porosity, and nutrient cycling. For instance, Zhou et al. (2024) reported a reduction in soil bulk density by over 15% due to microplastic binding with soil aggregates, adversely affecting crop growth. Furthermore, biodegradable microplastics, while increasingly used, may pose additional risks by disrupting soil microbial communities and nutrient cycling.
The introduction also discusses the aging process of microplastics, which enhances their adsorption properties and potential toxicity. Aged microplastics can adsorb heavy metals and organic matter, exacerbating ecological risks. The paper emphasizes the need for further research on the aging of microplastics and their interactions in the environment, particularly in the context of agricultural systems. The study aims to investigate the effects of conventional, biodegradable, and aged biodegradable microplastics on the rhizosphere soil properties and microbial communities of rice, proposing hypotheses regarding their impact on soil environments. The findings are expected to contribute to understanding the ecological risks of microplastics and the viability of biodegradable alternatives in agriculture.
Methods
In this study, the experimental design aimed to simulate future microplastic pollution in farmland soil by setting a dry weight concentration of microplastics at 1%, specifically targeting a particle size range of 35-48 μm. This concentration was chosen to reflect potential localized pollution scenarios, such as areas with concentrated agricultural film fragments, as well as to highlight the environmental risks posed by microplastics of this size due to their propensity for dispersion. The experimental setup included a blank control group (CK) and three treatment groups: polyethylene microplastics (PE-MPs), polylactic acid microplastics (PLA-MPs), and aged polylactic acid microplastics (APLA-MPs), with each group replicated three times.
Rice seeds with uniform germination were cultivated in a controlled environment, maintaining specific temperature, light intensity, and humidity conditions. After four weeks, rhizosphere soil samples were collected by carefully shaking the rice plants to preserve their root systems and removing loose soil. The collected rhizosphere soil was divided into two portions: one was air-dried for analysis of soil nutrient content and enzyme activity, while the other was stored at -80°C for subsequent extraction of soil bacterial DNA. This methodological approach allows for a comprehensive assessment of the impact of microplastics on soil health and microbial communities.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the detrimental effects of various microplastics on soil health, particularly focusing on their impact on nutrient content, enzyme activity, and microbial diversity. Exposure to polyethylene microplastics (PE-MPs) and polylactic acid microplastics (PLA-MPs) significantly decreased soil nutrient levels, including total nitrogen and available phosphorus, while increasing dissolved organic carbon (DOC) levels, particularly with biodegradable microplastics. Notably, the study found that aged polylactic acid microplastics (APLA-MPs) exhibited less toxicity compared to their non-aged counterparts, suggesting that aging may mitigate some negative effects on soil systems.
The analysis of soil enzyme activities revealed that microplastics adversely affected key enzymes, with PE-MPs and PLA-MPs leading to significant reductions in sucrase, urease, and catalase activities. Conversely, APLA-MPs appeared to enhance certain enzyme activities, indicating a complex interaction between microplastics and soil microbial dynamics. Furthermore, the study demonstrated that microplastic exposure reduced soil bacterial diversity, with PLA-MPs having the most pronounced negative impact. The aging process of PLA-MPs was associated with an increase in microbial diversity, suggesting that the structural changes in aged microplastics could foster a more complex microbial community. Overall, the findings underscore the need for further research into the long-term implications of microplastics on soil ecosystems and agricultural productivity.