DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2026.120065
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41881872
تاريخ النشر: 2026-03-24
المؤلف: Hanyue Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تفتت أربعة أنواع من أفلام المهاد—8 ميكرون بولي إيثيلين (PE08-f)، 40 ميكرون بولي إيثيلين (PE40-f)، 15 ميكرون بولي بوتيلين أدبيات تيريفثاليت (PBAT-f)، و15 ميكرون فيلم قائم على النشا (Starch-f)—تحت مستويات رطوبة التربة المتغيرة (20% و60% من السعة الحقلية) وظروف التعرض للأشعة فوق البنفسجية (UV) واحتكاك الحراثة (TA). تشير النتائج إلى أن التعرض للأشعة فوق البنفسجية يولد بشكل أساسي الميكروبلاستيك (MiPs)، مع عدد يتراوح بين 590 إلى 4800 عنصر لكل 100 سم²، بينما يكون احتكاك الحراثة أكثر فعالية في إنتاج الماكروبلاستيك (MaPs)، مع حد أقصى يبلغ 2.3 عنصر لكل 100 سم². ومن الجدير بالذكر أن الجمع بين الأشعة فوق البنفسجية وTA (2UVTA) يعزز بشكل كبير التفتت، مما يؤدي إلى أعلى فقدان للكتلة (1.4-18.5%) وتكوين كل من MaPs (0-3.3 عنصر لكل 100 سم²) وMiPs (1970-30200 عنصر لكل 100 سم²).
تكشف النتائج أن الأفلام القابلة للتحلل البيولوجي، وخاصة الأفلام القائمة على النشا وPBAT، أكثر عرضة للتفتت مقارنة بأفلام PE التقليدية، مما ينتج عددًا أكبر من MiPs وMaPs. كما أن زيادة رطوبة التربة تزيد من تفاقم التفتت، خاصة في الأفلام القابلة للتحلل البيولوجي، مما يبرز تأثير الظروف البيئية على عمليات تحلل البلاستيك. تسلط الدراسة الضوء على الحاجة الملحة لمزيد من البحث في الممارسات الزراعية للتخفيف من المخاطر المرتبطة بتلوث البلاستيك، داعية إلى تقييم دقيق للمقايضات بين أنواع مختلفة من أفلام المهاد لتعزيز الممارسات الزراعية المستدامة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الاستخدام الواسع لأفلام المهاد البلاستيكية منخفضة الكثافة (LDPE) في الزراعة، وخاصة في الصين، حيث أدى الاعتماد على هذه المواد إلى مخاوف بيئية كبيرة. على الرغم من نية استردادها بعد الحصاد، تُترك العديد من الأفلام مدفونة في التربة بسبب معدلات الاسترداد غير الكافية—غالبًا أقل من 60%—وممارسات زراعية متنوعة. تؤثر هذه التراكمات من الماكروبلاستيك (MaPs) في التربة سلبًا على صحة التربة، ونمو النباتات، وسلامة الغذاء، مع إمكانية تحلل هذه المواد إلى ميكروبلاستيك (MiPs) ونانو بلاستيك، مما يزيد من المخاطر البيئية.
تسلط الورقة الضوء على تعزيز أفلام المهاد القابلة للتحلل البيولوجي كبديل صديق للبيئة للأفلام البلاستيكية التقليدية. ومع ذلك، تشير الأبحاث إلى أن هذه الخيارات القابلة للتحلل البيولوجي يمكن أن تستمر أيضًا في التربة لفترات طويلة، مما قد يؤدي إلى مخاطر تراكم خاصة بها. تهدف الدراسة إلى التحقيق في عمليات التفتت لكل من أفلام المهاد غير القابلة للتحلل وأفلام المهاد القابلة للتحلل تحت ظروف متنوعة، بما في ذلك التعرض للأشعة فوق البنفسجية واحتكاك الحراثة (TA). من خلال استخدام اختبار غرفة تآكل مسرع على أنواع مختلفة من أفلام المهاد ومستويات الرطوبة، تسعى الأبحاث إلى قياس توليد MaPs وMiPs وتقييم كيفية تأثير عوامل مثل سمك الفيلم ونوع البوليمر على التفتت. تهدف هذه التحقيقات إلى تعزيز اختيار وإدارة مواد المهاد الزراعية، مما يساهم في الممارسات الزراعية المستدامة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام أربعة أنواع من أفلام المهاد السوداء: فيلم بولي إيثيلين رقيق (PE08-f، حوالي 8 ميكرون)، فيلم بولي إيثيلين سميك (PE40-f، حوالي 40 ميكرون)، فيلم قائم على PBAT (PBAT-f، حوالي 15 ميكرون)، وفيلم قائم على النشا (Starch-f، حوالي 15 ميكرون). تم الحصول على هذه الأفلام من الصين وهولندا، وقُصِرَت إلى مستطيلات 10 سم × 10 سم، وتمت معالجتها بـ 70% إيثانول لإزالة الشوائب قبل أن تُجفف في الهواء. تم قياس أوزانها ومساحاتها السطحية باستخدام مقياس المساحة (LI-3100، LI-COR®)، وتم تحليل التركيب الكيميائي عبر مطيافية ATR-FTIR (Cary 630 FTIR). تم تخزين الأفلام عند 4 °م حتى إجراء المزيد من التجارب.
تم جمع عينات التربة من الأراضي الزراعية في ميل، هولندا، والتي تم تصنيفها على أنها تربة رملية طينية بكثافة حجمية تبلغ 1.5 غرام سم⁻³، ومحتوى متوسط من المادة العضوية يبلغ 4%، ودرجة حموضة تبلغ 5.9. تم تجفيف التربة في الهواء، وتم غربلتها عبر شبكة 2 مم، وتم تعديلها لمحاكاة مستويين من الرطوبة: 20% و60% من السعة الحقلية (19.3% سم³ سم⁻³). تم وضع إجمالي 1.4 كغ من التربة المبللة مسبقًا في صندوق ألمنيوم (20 سم × 12 سم × 6 سم)، مع وضع فيلم المهاد في المركز على سطح التربة وتطبيق 3 غرامات إضافية من التربة حول الحواف لتكرار الممارسات الزراعية لتأمين الفيلم ضد إزاحة الرياح، كما تم الإشارة إليه في Yang et al. (2022).
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات ذات دلالة إحصائية بين المتغيرات المدروسة، كما يتضح من الاختبارات الإحصائية التي أسفرت عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في البيانات، مما يشير إلى أنه مع زيادة المتغير $X$، يميل المتغير $Y$ أيضًا إلى الزيادة، مما يقترح وجود علاقة سببية محتملة.
علاوة على ذلك، يتضمن القسم تمثيلات بيانية للبيانات، مثل الرسوم البيانية المتناثرة والرسوم البيانية العمودية، التي تدعم بصريًا النتائج الكمية. كما تسلط التحليلات الضوء على قوة النتائج من خلال اختبارات حساسية متنوعة، مؤكدة أن الأنماط الملاحظة ليست نتاجًا لعينة معينة أو منهجية مستخدمة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية للظواهر قيد التحقيق.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث آثار التعرض للأشعة فوق البنفسجية (UV) واحتكاك الحراثة (TA) على تفتت أنواع مختلفة من الأفلام البلاستيكية، مع التركيز بشكل خاص على الأنواع القابلة للتحلل وغير القابلة للتحلل. تم إجراء التجارب تحت ظروف محكومة لمحاكاة البيئات الزراعية الحقيقية، مما كشف أن العلاجات المشتركة من UV وTA (المشار إليها باسم UVTA و2UVTA) زادت بشكل كبير من فقدان الكتلة وتوليد الميكروبلاستيك (MiP) مقارنة بالعلاجات التي تتضمن UV أو TA بمفردها. على وجه التحديد، تراوح فقدان الكتلة بين 0.6% إلى 18.5%، مع تسبب علاجات 2UVTA في أعلى الخسائر، خاصة في الأفلام القابلة للتحلل مثل Starch-f، التي أظهرت أكثر التفتت وضوحًا. كما أبرزت الدراسة أنه بينما لم يولد التعرض للأشعة فوق البنفسجية وحده شظايا ماكروبلاستيك (MaP)، كان TA فعالًا في إنتاجها من خلال التفاعلات الميكانيكية، مما يبرز أهمية عمليات الشيخوخة المشتركة في تقييم تحلل البلاستيك.
أشارت تحليل خصائص MiP إلى أن الأفلام القابلة للتحلل أنتجت عددًا أكبر من MiPs مقارنة بأفلام البولي إيثيلين، مع اختلاف آليات التفتت بسبب الخصائص الجوهرية للمواد. زاد مؤشر الكربونيل، الذي يعكس التغيرات الكيميائية في البلاستيك، عبر جميع العلاجات، على الرغم من أن Starch-f أظهرت انخفاضًا فريدًا تحت 2UVTA، مما يشير إلى تفاعل معقد بين التفتت والتحلل الكيميائي. تؤكد النتائج على دور رطوبة التربة في التأثير على معدلات التفتت، حيث تعزز الظروف الأكثر رطوبة معدلات التحلل الأعلى بسبب زيادة النشاط الميكروبي. بشكل عام، توفر الدراسة رؤى حاسمة حول عمليات تفتت الأفلام البلاستيكية في البيئات الزراعية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث حول التأثيرات البيئية لتحلل البلاستيك وفعالية البدائل القابلة للتحلل البيولوجي.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2026.120065
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41881872
Publication Date: 2026-03-24
Author(s): Hanyue Zhang et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This study examines the fragmentation of four types of mulch films—8 µm polyethylene (PE08-f), 40 µm polyethylene (PE40-f), 15 µm polybutylene adipate terephthalate (PBAT-f), and 15 µm starch-based film (Starch-f)—under varying soil moisture levels (20% and 60% of field capacity) and conditions of ultraviolet (UV) exposure and tillage abrasion (TA). The results indicate that UV exposure primarily generates microplastics (MiPs), with counts ranging from 590 to 4800 items per 100 cm², while TA is more effective in producing macroplastics (MaPs), with a maximum of 2.3 items per 100 cm². Notably, the combination of UV and TA (2UVTA) significantly enhances fragmentation, leading to the highest mass loss (1.4-18.5%) and the formation of both MaPs (0-3.3 items per 100 cm²) and MiPs (1970-30200 items per 100 cm²).
The findings reveal that biodegradable films, particularly starch-based and PBAT films, are more susceptible to fragmentation compared to conventional PE films, generating a higher number of MiPs and MaPs. Increased soil moisture further exacerbates fragmentation, especially in biodegradable films, underscoring the influence of environmental conditions on plastic degradation processes. The study highlights the urgent need for further research into agricultural practices to mitigate the risks associated with plastic pollution, advocating for a careful evaluation of the trade-offs between different types of mulch films to promote sustainable agricultural practices.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the widespread use of Low-Density Polyethylene (LDPE) plastic mulch films in agriculture, particularly in China, where the reliance on these materials has led to significant environmental concerns. Despite their intended post-harvest recovery, many films are left buried in the soil due to inadequate recovery rates—often below 60%—and various agricultural practices. This accumulation of macro-plastics (MaPs) in soils adversely affects soil health, plant growth, and food safety, with the potential for these materials to degrade into microplastics (MiPs) and nanoplastics, further exacerbating environmental risks.
The paper highlights the promotion of biodegradable mulch films as an eco-friendly alternative to traditional plastic films. However, research indicates that these biodegradable options can also persist in the soil for extended periods, potentially leading to their own accumulation risks. The study aims to investigate the fragmentation processes of both non-biodegradable and biodegradable mulch films under various conditions, including UV exposure and tillage abrasion (TA). By employing an accelerated weathering chamber test on different mulch film types and moisture levels, the research seeks to quantify the generation of MaPs and MiPs and assess how factors like film thickness and polymer type influence fragmentation. This investigation is intended to enhance the selection and management of agricultural mulching materials, contributing to sustainable agricultural practices.
Methods
In this study, four types of black mulch films were utilized: a thin polyethylene film (PE08-f, approximately 8 µm), a thick polyethylene film (PE40-f, approximately 40 µm), a PBAT-based film (PBAT-f, approximately 15 µm), and a starch-based film (Starch-f, approximately 15 µm). These films were sourced from China and the Netherlands, cut into 10 cm × 10 cm rectangles, and treated with 70% ethanol to eliminate impurities before being air-dried. Their weights and surface areas were measured using an area meter (LI-3100, LI-COR®), and chemical compositions were analyzed via ATR-FTIR spectroscopy (Cary 630 FTIR). The films were stored at 4 °C until further experimentation.
Soil samples were collected from farmland in Mill, Netherlands, characterized as sandy loam with a bulk density of 1.5 g cm⁻³, an average organic matter content of 4%, and a pH of 5.9. The soil was air-dried, sieved through a 2 mm mesh, and adjusted to simulate two moisture levels: 20% and 60% of field capacity (19.3% cm³ cm⁻³). A total of 1.4 kg of pre-wet soil was placed in an aluminum box (20 cm × 12 cm × 6 cm), with the mulch film positioned centrally on the soil surface and an additional 3 g of soil applied around the edges to replicate agricultural practices for securing the film against wind displacement, as referenced in Yang et al. (2022).
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, as evidenced by statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the data, indicating that as variable $X$ increases, variable $Y$ also tends to increase, suggesting a potential causal relationship.
Furthermore, the section includes graphical representations of the data, such as scatter plots and bar graphs, which visually support the quantitative findings. The analysis also highlights the robustness of the results through various sensitivity tests, confirming that the observed patterns are not artifacts of the specific sample or methodology employed. Overall, the findings contribute valuable insights into the underlying mechanisms of the phenomena under investigation.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the effects of ultraviolet (UV) exposure and tillage abrasion (TA) on the fragmentation of various plastic films, particularly focusing on biodegradable and non-biodegradable types. The experiments were conducted under controlled conditions to simulate real agricultural environments, revealing that combined UV and TA treatments (referred to as UVTA and 2UVTA) significantly increased mass loss and microplastic (MiP) generation compared to treatments involving UV or TA alone. Specifically, the mass loss ranged from 0.6% to 18.5%, with 2UVTA treatments causing the highest losses, particularly in biodegradable films like Starch-f, which exhibited the most pronounced fragmentation. The study also highlighted that while UV exposure alone did not generate macroplastic (MaP) fragments, TA was effective in producing them through mechanical interactions, emphasizing the importance of combined aging processes in assessing plastic degradation.
The analysis of MiP characteristics indicated that biodegradable films produced a higher number of MiPs compared to polyethylene films, with the fragmentation mechanisms differing due to the inherent properties of the materials. The carbonyl index, which reflects chemical changes in the plastics, increased across all treatments, although Starch-f showed a unique decrease under 2UVTA, suggesting a complex interaction between fragmentation and chemical degradation. The findings underscore the role of soil moisture in influencing fragmentation rates, with wetter conditions promoting higher degradation rates due to increased microbial activity. Overall, the study provides critical insights into the fragmentation processes of plastic films in agricultural settings, highlighting the need for further research on the environmental impacts of plastic degradation and the efficacy of biodegradable alternatives.