DOI: https://doi.org/10.1016/j.agwat.2026.110214
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Rozita Soltani Tehrani وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تبحث الدراسة في ديناميات النقل والاحتفاظ بالميكروبلاستيك في التربة الزراعية تحت ظروف التدفق المتغير، مع التركيز بشكل خاص على تأثيرات نسيج التربة، وشدة الأمطار، ونوع البوليمر. تم إجراء تجربة عمود محكومة باستخدام نوعين من نسيج التربة (التربة الرملية الطينية والرملية الطينية)، وثلاثة أنواع من الميكروبلاستيك (LDPE، PBAT، وبوليمر قائم على النشا)، واثنين من شدة الأمطار (22 و35 مم/ساعة). استخدمت الدراسة نموذج HYDRUS-1D لمحاكاة تدفق المياه ونقل الميكروبلاستيك، مما يكشف أن الرملية الطينية سهلت حركة الميكروبلاستيك بشكل أكبر مقارنة بالتربة الرملية الطينية، ويرجع ذلك أساسًا إلى نسيجها الخشن وموصلية المياه العالية. أظهر LDPE أعلى حركة بين البوليمرات المختبرة، وذلك بسبب كثافته المنخفضة وخصائص سطحه.
تسلط النتائج الضوء على أن خصائص التربة الهيدروليكية تؤثر بشكل كبير على احتفاظ الميكروبلاستيك، حيث تعزز التربة الرملية الطينية أوقات الاتصال الأطول وبالتالي احتفاظ أكبر. كما لاحظت الدراسة أن الظروف الجافة الأولية خلال دورة الامتصاص الأولى أدت إلى إطلاق أعلى للميكروبلاستيك، والذي انخفض في الدورات اللاحقة مع زيادة رطوبة التربة، مما يعزز التفاعلات الكهروستاتيكية. على الرغم من أن النموذج أظهر توافقًا جيدًا مع منحنيات الاختراق، إلا أن المؤلفين يعترفون بوجود قيود في تصميمهم التجريبي، بما في ذلك نطاق أنواع التربة وخصائص الميكروبلاستيك التي تم فحصها. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف طيف أوسع من الظروف ودمج عوامل إضافية مثل شكل الميكروبلاستيك لتحسين النماذج التنبؤية لنقل الميكروبلاستيك في البيئات الزراعية.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية الملحة لتلوث التربة بالمواد البلاستيكية، وخاصة الميكروبلاستيك، التي تنشأ من مصادر متنوعة بما في ذلك الممارسات الزراعية، والأسمدة العضوية، ومكبات النفايات، ومخلفات الصرف الصحي. يساهم تحلل المواد البلاستيكية، مثل المهاد المستخدم في الزراعة، بشكل كبير في تراكم الميكروبلاستيك في البيئات الأرضية، التي يُبلغ أنها تستقبل 4-23 مرة من نفايات البلاستيك مقارنة بالمحيطات. يشكل هذا التلوث مخاطر على صحة التربة، وإنتاجية الزراعة، وجودة المياه الجوفية، مما يستدعي فهمًا شاملاً لديناميات نقل الميكروبلاستيك المتأثرة بعوامل مثل خصائص التربة، واستخدام الأراضي، وتدفق المياه.
تؤكد الورقة على أهمية تطبيق نظرية نقل الكولوييد لفهم حركة الميكروبلاستيك في التربة، حيث تظهر الميكروبلاستيك سلوكيات مشابهة للكولوييدات. تشمل الآليات الرئيسية التي تؤثر على نقلها الالتصاق بواجهات التربة والماء والتفاعلات مع واجهات الهواء والماء، والتي يمكن أن تتأثر بعوامل فيزيائية مثل معدل التدفق وظروف التدفق المتغير. تهدف الدراسة إلى تعزيز النماذج التنبؤية لإطلاق الميكروبلاستيك في أعمدة التربة غير المشبعة، مع التركيز على تأثيرات نسيج التربة، ونوع الميكروبلاستيك، وشدة الأمطار. من خلال دمج الأساليب التجريبية والنمذجة، تسعى الأبحاث إلى تقديم رؤى حول التفاعلات المعقدة التي تحكم سلوك الميكروبلاستيك في سيناريوهات بيئية واقعية، مما يساهم في تطوير استراتيجيات تخفيف فعالة.
الطرق
تضمنت المنهجية المستخدمة في هذه الدراسة بناء أعمدة من التربة للتحقيق في ديناميات نقل الميكروبلاستيك في التربة. تم ملء كل عمود، المصنوع من أنابيب بولي كلوريد الفينيل (PVC) بقطر داخلي يبلغ 11.5 سم، بالتربة الرطبة إلى ارتفاع 32 سم، مما حقق كثافة حجمية تبلغ 1.5 غرام/سم³. تم وضع فلتر شبكي معدني بحجم مسام 1 مم في القاعدة للسماح بمرور المياه وجزيئات الميكروبلاستيك مع منع حركة التربة. تم استخدام نوعين من التربة: التربة الرملية الطينية والرملية الطينية، كل منهما ممزوج بـ 0.15% (وزن/وزن) من الميكروبلاستيك (بولي إيثيلين منخفض الكثافة، بولي بوتيلين أدبيات التيريفثاليت، أو بوليمرات قائمة على النشا) في أعلى 10 سم لمحاكاة ظروف بيئية واقعية. تم تثبيت أجهزة قياس الرطوبة ومستشعر رطوبة التربة على أعماق مختلفة لمراقبة ديناميات الرطوبة، وتم استخدام نظام فراغ لمحاكاة الظروف غير المشبعة.
تضمن التصميم التجريبي شديتين من الأمطار (22 و35 مم/ساعة) تم تطبيقهما على حدثين، مع جمع عينات من المياه الناتجة لتقييم إطلاق الميكروبلاستيك. بعد أحداث الأمطار، تم أخذ عينات من التربة على أعماق مختلفة لتحديد توزيع الميكروبلاستيك. شملت الدراسة ثلاثة مكررات لكل معالجة وأعمدة تحكم بدون ميكروبلاستيك، ليصل الإجمالي إلى 42 عمودًا. تم إجراء استخراج الميكروبلاستيك باستخدام فصل الكثافة، تلاه التعرف من خلال المجهر وطيف الأشعة تحت الحمراء بالتحويل فورييه (µ-FTIR). يوفر هذا الإعداد الشامل بيانات قيمة لفهم نقل الميكروبلاستيك في التربة وهو أمر حاسم لمعايرة النماذج العددية التي تتنبأ بحركتها تحت ظروف بيئية متغيرة.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج حول خصائص التربة الهيدروليكية وسلوك نقل الميكروبلاستيك في التربة الرملية الطينية والرملية الطينية، التي تم تحديدها من خلال طرق التبخر وتجارب المتتبع. كانت محتوى الماء المشبع ($\theta_s$) أعلى في التربة الرملية الطينية (0.45) مقارنة بالرملية الطينية (0.4). اختلفت المعلمات مثل معلمات الشكل $\alpha$ (0.08 سم$^{-1}$ للرملية الطينية) وموصلية المياه الهيدروليكية المشبعة ($K_S$، 8 سم/ساعة للرملية الطينية) بين أنواع التربة، مما يشير إلى وظائف هيدروليكية مميزة. كانت التشتت أيضًا مختلفة، حيث أظهرت التربة الرملية الطينية 1.2 سم والرملية الطينية 0.8 سم، مما يؤثر على انتشار المذاب ونقل الميكروبلاستيك. نجح نموذج HYDRUS-1D في محاكاة محتوى الماء الحجمي ($\theta_v$) مع توافق قوي (R² = 0.92-0.97) بين القيم المقاسة والمحاكاة.
تأثر إطلاق الميكروبلاستيك خلال دورات الامتصاص والتصريف بظروف رطوبة التربة وشدة الأمطار. أدى الحدث الأول من الأمطار إلى إطلاق أعلى للميكروبلاستيك بسبب الظروف الأكثر جفافًا، مما سمح بحركة أكبر، بينما أدى الحدث الثاني، الذي حدث تحت ظروف أكثر رطوبة، إلى تقليل الإطلاق بسبب احتمال انسداد المسام الأكبر. وجدت الدراسة أن الرملية الطينية سهلت نقل الميكروبلاستيك بشكل أكثر كفاءة مقارنة بالتربة الرملية الطينية، خاصة تحت شدة أمطار أعلى. لوحظت اختلافات في حركة الميكروبلاستيك، حيث أظهر بولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) أعلى حركة بسبب خصائص سطحه، بينما أظهرت الميكروبلاستيك القائمة على النشا حركة أقل. أسفرت طريقة النمذجة العكسية عن توافق مرضٍ لمنحنيات الاختراق (BTCs) وملفات الاحتفاظ، مع مؤشرات رئيسية تشير إلى اختلافات في معدلات التصاق الجسيمات وفصلها عبر المعالجات، مما يعكس التفاعلات المعقدة بين أنواع التربة وخصائص الميكروبلاستيك.
المناقشة
يركز قسم المناقشة في الورقة البحثية على تحسين المعلمات لطريقة التبخر لتحديد خصائص التربة الهيدروليكية وآثارها على نمذجة نقل الميكروبلاستيك. استخدمت الدراسة معلمات فان جينشتن-مواليم (VGM)، المستمدة من خلال المعايرة مع نموذج HYDRUS-1D، لتحليل خصائص التربة الهيدروليكية للتربة الرملية الطينية والرملية الطينية. تشير النتائج إلى أن نسيج التربة يؤثر بشكل كبير على احتفاظ الميكروبلاستيك وديناميات النقل. على وجه الخصوص، تعزز التربة الرملية الطينية، التي تتميز بسعة احتفاظ أعلى للمياه وموصلية هيدروليكية مشبعة أقل، احتفاظ الميكروبلاستيك بسبب وقت الاتصال المطول مع أسطح التربة. في المقابل، تسهل الرملية الطينية حركة المياه بشكل أسرع، مما يؤدي إلى معدلات احتفاظ أقل للميكروبلاستيك، خاصة تحت ظروف الأمطار عالية الشدة.
تسلط الأبحاث الضوء على التباين في معاملات الالتصاق (K_att) عبر أنواع الميكروبلاستيك المختلفة وأنسجة التربة، مما يبرز أن سلوك الميكروبلاستيك لا يمكن تعميمه فقط بناءً على خصائص التربة. على سبيل المثال، أظهرت الميكروبلاستيك القائمة على النشا التصاقًا أعلى في التربة الرملية الطينية، بينما أظهر LDPE حساسية أقل لنسيج التربة. تناقش الدراسة أيضًا دور تدفق المياه المتغير في إعادة تحريك الجسيمات، مع نتائج تشير إلى أن القص الهيدروديناميكي وآليات ضغط المسام تؤثر بشكل كبير على نقل الميكروبلاستيك. تؤكد النتائج على ضرورة مراعاة المعلمات الهيدروليكية الخاصة بالتربة وخصائص الميكروبلاستيك في نمذجة النقل، فضلاً عن الحاجة إلى مزيد من التحقق من نموذج HYDRUS-1D تحت ظروف الحقل لتعزيز قدراته التنبؤية. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف مجموعة أوسع من أنواع التربة والظروف الهيدرولوجية، بالإضافة إلى التحقيق في تأثيرات شكل وحجم الميكروبلاستيك على ديناميات الاحتفاظ.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.agwat.2026.110214
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Rozita Soltani Tehrani et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
The research investigates the transport and retention dynamics of microplastics in agricultural soils under transient flow conditions, specifically focusing on the effects of soil texture, rainfall intensity, and polymer type. A controlled column experiment was conducted using two soil textures (sandy loam and loamy sand), three types of microplastics (LDPE, PBAT, and a starch-based polymer), and two rainfall intensities (22 and 35 mm/h). The study employed the HYDRUS-1D model to simulate water flow and microplastic transport, revealing that loamy sand facilitated greater microplastic mobility compared to sandy loam, primarily due to its coarser texture and higher hydraulic conductivity. LDPE exhibited the highest mobility among the polymers tested, attributed to its lower density and surface characteristics.
The findings highlight that soil hydraulic properties significantly influence microplastic retention, with sandy loam promoting longer contact times and thus greater retention. The study also noted that initial drier conditions during the first imbibition cycle led to higher microplastic release, which decreased in subsequent cycles as soil moisture increased, enhancing electrostatic interactions. Although the model demonstrated a good fit for breakthrough curves, the authors acknowledge limitations in their experimental design, including the range of soil types and microplastic characteristics examined. Future research is recommended to explore a broader spectrum of conditions and incorporate additional factors such as microplastic shape to refine predictive models for microplastic transport in agricultural settings.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the pressing issue of soil contamination by plastics, particularly microplastics, which arise from various sources including agricultural practices, organic fertilizers, landfills, and sewage sludge. The degradation of plastic materials, such as mulch used in farming, contributes significantly to the accumulation of microplastics in terrestrial environments, which are reported to receive 4-23 times more plastic waste than oceans. This contamination poses risks to soil health, agricultural productivity, and groundwater quality, necessitating a thorough understanding of microplastic transport dynamics influenced by factors such as soil properties, land use, and water flow.
The paper emphasizes the importance of applying colloid transport theory to comprehend microplastic mobility in soils, as microplastics exhibit similar behaviors to colloids. Key mechanisms affecting their transport include adherence to soil-water interfaces and interactions with air-water interfaces, which can be influenced by physical factors like flow rate and transient flow conditions. The study aims to enhance predictive models for microplastic release in unsaturated soil columns, focusing on the effects of soil texture, microplastic type, and rainfall intensity. By integrating experimental and modeling approaches, the research seeks to provide insights into the complex interactions governing microplastic behavior in realistic environmental scenarios, ultimately contributing to the development of effective mitigation strategies.
Methods
The methodology employed in this study involved the construction of soil columns to investigate the transport dynamics of microplastics in soil. Each column, made from polyvinyl chloride (PVC) tubes with an inner diameter of 11.5 cm, was filled with moist soil to a height of 32 cm, achieving a bulk density of 1.5 g/cm³. A metal mesh filter with a 1 mm pore size was placed at the base to allow water and microplastic particles to pass while preventing soil movement. Two soil types were utilized: sandy loam and loamy sand, each blended with 0.15% (W/W) of microplastics (low-density polyethylene, polybutylene adipate terephthalate, or starch-based polymers) in the top 10 cm to simulate realistic environmental conditions. Tensiometers and a soil moisture probe were installed at various depths to monitor moisture dynamics, and a vacuum system was employed to simulate unsaturated conditions.
The experimental design included two rainfall intensities (22 and 35 mm/h) applied over two events, with effluent samples collected to assess the release of microplastics. Following the rainfall events, soil samples were taken at different depths to quantify microplastic distribution. The study included three replicates for each treatment and control columns without microplastics, totaling 42 columns. Microplastic extraction was performed using density separation, followed by identification through microscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy (µ-FTIR). This comprehensive setup provides valuable data for understanding microplastic transport in soil and is crucial for calibrating numerical models predicting their movement under varying environmental conditions.
Results
The results section presents findings on the soil hydraulic properties and microplastic transport behavior in sandy loam and loamy sand soils, determined through evaporation methods and tracer experiments. The saturated water content ($\theta_s$) was higher in sandy loam (0.45) compared to loamy sand (0.4). Parameters such as the shape parameters $\alpha$ (0.08 cm$^{-1}$ for loamy sand) and saturated hydraulic conductivity ($K_S$, 8 cm/h for loamy sand) varied between the soil types, indicating distinct hydraulic functioning. The dispersivity was also different, with sandy loam showing 1.2 cm and loamy sand 0.8 cm, which affects solute spread and microplastic transport. The model HYDRUS-1D effectively simulated volumetric water content ($\theta_v$) with strong agreement (R² = 0.92-0.97) between measured and simulated values.
Microplastic release during imbibition and drainage cycles was influenced by soil moisture conditions and rainfall intensity. The first rainfall event resulted in higher microplastic release due to drier conditions, allowing for greater mobility, while the second event, occurring under wetter conditions, led to reduced release due to potential clogging of larger pores. The study found that loamy sand facilitated more efficient microplastic transport compared to sandy loam, particularly under higher rainfall intensities. Differences in microplastic mobility were observed, with low-density polyethylene (LDPE) exhibiting the highest mobility due to its surface properties, while starch-based microplastics showed lower mobility. The inverse modeling approach yielded satisfactory fits for breakthrough curves (BTCs) and retention profiles, with key parameters indicating variations in particle attachment and detachment rates across treatments, reflecting the complex interactions between soil types and microplastic characteristics.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the parameter optimization of the evaporation method for determining soil hydraulic properties and its implications for microplastic transport modeling. The study utilized the van Genuchten-Mualem (VGM) parameters, derived through calibration with the HYDRUS-1D model, to analyze soil hydraulic properties of sandy loam and loamy sand soils. The findings indicate that soil texture significantly influences microplastic retention and transport dynamics. Specifically, sandy loam, characterized by higher water retention capacity and lower saturated hydraulic conductivity, promotes microplastic retention due to prolonged contact time with soil surfaces. In contrast, loamy sand facilitates faster water movement, resulting in lower retention rates for microplastics, particularly under high-intensity rainfall conditions.
The research highlights the variability in attachment coefficients (K_att) across different microplastic types and soil textures, emphasizing that microplastic behavior cannot be generalized solely based on soil characteristics. For instance, starch-based microplastics exhibited higher attachment in sandy loam, while LDPE showed less sensitivity to soil texture. The study also discusses the role of transient water flow in remobilizing particles, with findings suggesting that hydrodynamic shear and pore straining mechanisms significantly affect microplastic transport. The results underscore the necessity of considering soil-specific hydraulic parameters and microplastic properties in transport modeling, as well as the need for further validation of the HYDRUS-1D model under field conditions to enhance its predictive capabilities. Future research directions include exploring a wider variety of soil types and hydrological conditions, as well as investigating the effects of microplastic shape and size on retention dynamics.