Microplastics in agricultural soils : effects on physical, chemical, and microbiological processes

Titelangaben

Bartnick, Ryan:
Microplastics in agricultural soils : effects on physical, chemical, and microbiological processes.
Bayreuth , 2025 . - XII, 183 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00008699

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Abstract

Microplastics (MPs) affect key soil properties relevant to agriculture: physical structure, chemical properties, and microbial processes, with their specific functions. This thesis examines how pristine and degraded conventional MPs (CMPs: polyethylene, PE, and polyethylene terephthalate, PET) and biodegradable MPs (BMPs: polybutylene adipate terephthalate, PBAT) affect different soil types. It integrates five studies that combined greenhouse and laboratory experiments to assess MPs impacts on soil physical aggregation and water holding capacity (WHC), carbon storage, respiration, nutrient cycling, and microbial community shifts.
As the basis for studying combined physical (aggregation and WHC), chemical (pH, C, N, nutrients), and microbial (abundance and diversity) properties among differing soil types (silty loam and sandy loam), a greenhouse experiment was conducted (Study 1, Greenhouse Experiment) with maize and MPs amendments (types: PBAT, PE, and PET; concentrations: 0.1 and 1% w/w; size ranges: 75–400, 200–400, 75–200, and <75 µm) over 18 weeks. A 15N-labeled ammonium-nitrate fertilizer traced nutrient fate. Further complimentary studies were conducted: a respiration experiment assessed CO2 emissions, microbial biomass and community shifts (Study 2, Soil Respiration); a UV-weathering experiment evaluated accelerated photodegradation of PE and PET for size fragmentation and surface reactivity (Study 3, Plastic Reactivity); a method development for quantification of MPs in soil with thermal desorption-gas chromatography-tandem mass spectrometry (TD-GC-MS/MS) (Study 4, Method); and a conceptual viewpoint reconsidering the size definition of MPs in soil (Study 5, Viewpoint).
Soil physical functions, aggregation and water retention, were minimally affected by CMPs. In contrast, BMPs enhanced microaggregate stability and WHC, but only under plant growth. This suggests soil structural improvement was mediated by biological functions, such as microbial activity and root exudations, which are more active in arable soils such as the silty loam. Sandy loam, with poor inherent structure, remained unaffected by MPs. As for chemical functions, MPs contributed to soil total carbon in proportion to their polymer carbon content. However, BMPs triggered microbial priming effects, as evidenced by increased CO₂ emissions and nitrogen immobilization. These effects were amplified in the nutrient-poor, unstructured sandy soil, where microbial communities likely responded more rapidly to the BMP-carbon inputs. CMPs, however, showed limited chemical influence unless degraded, as plant growth appeared to mask their effect on nutrient cycling. Microbial activity and community composition varied between soil and polymer types. BMPs stimulated microbial biomass and significantly altered prokaryotic community composition, particularly in sandy loam, which showed enrichment of microbial genera associated with plastic degradation and nitrogen cycling. This suggested that lower quality soils may be more microbially responsive to MPs inputs due to resource limitations.
To evaluate potential long-term risks associated to increase in MPs surface reactivity, CMPs were artificially weathered to simulate environmental degradation. UV-weathered PE increased surface oxidation, hydrophilicity, negative surface charge, and cation exchange capacity (CEC), indicating increased environmental reactivity. In contrast, PET remained chemically stable under the same conditions. These findings demonstrate that degradation state critically alters CMP functions in soil, with PE potentially causing long-term risks to soil CEC and contaminant mobility.
Methodological advances included the development of a mass-based method for polymer quantification in soils without cleanup. Here again, the role of soil type differentiation in MPs detection and interpretation became clear with the developed method, as it discovered plastics quantification requires correction for humic substance interference in organic-rich soils.
As plastic size was critical to previous findings, a viewpoint emerged that challenges the established <5 mm definition of MPs as overly broad for soil systems. As most soil processes operate at the micro- to nanoscale, the thesis proposes a revised classification aligned with the SI: microplastics as 1–1000 µm and nanoplastics as 1–1000 nm. This refined framework would better align MP research with ecologically relevant soil process scales.
In conclusion, BMPs demonstrated a dual role: enhancing physical structure in structured soils (silty loam) but disrupting chemical and microbial processes in vulnerable soils (sandy loam) due to its rapid biodegradability and microbial stimulation. CMPs, in contrast, showed longer-term risks primarily after degradation, with PE exhibiting high environmental reactivity after weathering. Collectively, these findings highlight that plastic effects in the environment are not universal but depend on polymer properties and soil-specific conditions. For agroecosystem risk assessments, it is essential to consider soil type, degradation state, and particle size when evaluating the sustainability of conventional or biodegradable plastic use in agricultural soils of varying quality.

Abstract in weiterer Sprache

Mikroplastik (MPs) beeinträchtigt wichtige Bodeneigenschaften, die für die Landwirtschaft relevant sind: physikalische Struktur, chemische Eigenschaften und mikrobielle Prozesse mit ihren spezifischen Funktionen. Diese Arbeit untersucht, wie frisches und degradiertes konventionelles Mikroplastik (CMPs: Polyethylen, PE, und Polyethylenterephthalat, PET) sowie biologisch abbaubares Mikroplastik (BMPs: Polybutylenadipatterephthalat, PBAT) verschiedene Bodentypen beeinflussen. Sie umfasst fünf Studien, in denen Gewächshaus- und Laborexperimente kombiniert wurden, um die Auswirkungen von MP auf die physikalische Aggregierung und Wasserhaltekapazität (WHC) des Bodens, die Kohlenstoffspeicherung, den Nährstoffkreislauf, die mikrobielle Atmung und Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft zu bewerten.
Als Grundlage für die Untersuchung der kombinierten physikalischen (Aggregation und WHC), chemischen (pH-Wert, C, N, Nährstoffe) und mikrobiellen (Häufigkeit und Vielfalt) Eigenschaften verschiedener Bodentypen (schluffiger Lehm und sandiger Lehm) wurde ein Gewächshausversuch (Studie 1, Gewächshausversuch) mit Mais und MP-Zusätzen (Typen: PBAT, PE und PET; Konzentrationen: 0,1 und 1 % w/w; Größenbereiche: 75–400, 200–400, 75–200 und <75 µm) über 18 Wochen durchgeführt. Ein mit 15N markierter Ammoniumnitratdünger erlaubte den Nährstoffverbleib zu verfolgen. Weitere ergänzende Studien wurden durchgeführt: Ein Bodenatmungsexperiment betrachtete CO2-Emissionen, mikrobielle Biomasse und Veränderungen in der mikrobiellen Lebensgemeinschaft (Studie 2, Bodenatmung); ein UV-Verwitterungsversuch befasste sich mit der Größenfragmentierung und Zunahme der Oberflächenreaktivität von PE und PET nach photochemischer Verwitterung (Studie 3, Kunststoffabbau). Es wurde weiter eine Methodenentwicklung zur Quantifizierung von MP im Boden mittels thermischer Desorption-Gaschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (TD-GC-MS/MS) durchgeführt (Studie 4, Methode) und eine konzeptionelle Betrachtung, die die Definition der Größe von MP im Boden überdenkt, angeschlossen (Studie 5, Standpunkt).
Die physikalischen Funktionen der Böden, Aggregation und Wasserrückhaltung, wurden durch CMPs nur minimal beeinflusst. Im Gegensatz dazu verbesserten BMPs die Stabilität der Mikroaggregate und die WHC, jedoch nur unter Pflanzenwachstum. Ich konnte zeigen, dass die Verbesserung der Bodenstruktur durch die Anregung biologischer Funktionen wie mikrobielle Aktivität und Wurzelausscheidungen bedingt wurde und insbesondere durch MP-Zugabe in Ackerböden mit schluffigem Lehm effektiv war. Sandiger Lehm mit seiner, von Natur aus, schlechten Struktur blieb in dieser Perspektive von MPs unbeeinträchtigt. Was die chemischen Funktionen betrifft, trugen MPs proportional zu ihrem Polymerkohlenstoffgehalt zum Gesamtkohlenstoffgehalt des Bodens bei. BMPs lösten jedoch zusätzlich mikrobielle Priming-Effekte aus, was sich in erhöhten CO₂-Emissionen und Stickstoffimmobilisierung zeigte. Diese Effekte wurden in nährstoffarmen, unstrukturierten Sandböden verstärkt, wo mikrobielle Gemeinschaften wahrscheinlich schneller auf die Kohlenstoffeinträge durch BMPs reagierten. CMPs zeigten jedoch nur einen begrenzten chemischen Einfluss, sofern sie nicht abgebaut wurden, da das Pflanzenwachstum ihre Wirkung auf den Nährstoffkreislauf offenbar maskierte. Die Auswirkung von MPs auf mikrobielle Aktivitäten und Zusammensetzung variierten zwischen Boden- und Polymertypen. BMPs stimulierten die mikrobielle Biomasse und veränderten die Zusammensetzung der prokaryotischen Gemeinschaft erheblich, insbesondere in sandigem Lehm, der eine Anreicherung von Mikroorganismen aufwies, die mit dem Abbau von Kunststoff und dem Stickstoffkreislauf in Verbindung gesetzt werden. Dies deutete darauf hin, dass Böden von geringerer Qualität aufgrund begrenzter Ressourcen möglicherweise mikrobiell stärker auf MP-Einträge reagieren.
Um potenzielle Langzeitrisiken zu bewerten, wurden CMPs künstlich verwittert, um eine Aktivierung der Oberfläche und damit einhergehende Umwelteffekte zu simulieren. UV-verwittertes PE erhöhte die Oberflächenoxidation, Hydrophilie, negative Oberflächenladung und Kationenaustauschkapazität (KAK), was auf eine erhöhte Umweltreaktivität hindeutet. Im Gegensatz dazu blieb PET unter den gleichen Bedingungen chemisch stabil. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Plastikdegradation die Funktionen von CMPs im Boden entscheidend verändert, wobei PE potenziell langfristige Risiken für die KAK des Bodens und die Mobilität von Schadstoffen mit sich bringt.
Zu den methodischen Fortschritten dieser Arbeit gehörte die Entwicklung einer massenbasierten Methode zur Polymerquantifizierung in Böden ohne Reinigung. Hier wurde erneut klar, welche Bedeutung Bodeneigenschaften für die Analyse und Umweltbewertung von MP haben, insbesondere wurde hier erstmals gezeigt, dass in organikreichen Böden eine Korrektur der PE-Quantifizierung notwendig ist.
Da in dieser Studie gezeigt werden konnte, dass die Größe der Plastiksorten für die Auswirkung auf Bodenfunktionen entscheidend ist, wird vorgeschlagen die etablierte Definition von MP als <5 mm für Bodensysteme zu verwerfen. Da die meisten Bodenprozesse im Mikro- bis Nanobereich ablaufen, schlägt diese Arbeit eine überarbeitete Klassifizierung vor, die sich an das SI-System anlehnt: Mikroplastik soll als 1–1000 µm und Nanoplastik als 1–1000 nm definiert werden. Diese optimierte Definition erlaubt die experimentelle MP-Forschung in Zukunft besser an ökologisch relevante Bodenprozessskalen anzupassen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass vor allem bioabbaubares Plastik, die BMPs, eine Rolle im Boden spielen: Sie verbessern die physikalische Struktur in strukturierten Böden (schluffiger Lehm), stören jedoch aufgrund ihrer schnellen biologischen Abbaubarkeit und mikrobiellen Stimulation chemische und mikrobielle Prozesse in empfindlicheren Böden (sandiger Lehm). Konventionelles Plastik, die CMPs, hingegen zeigten vor allem durch oberflächliche Abbauprozesse längerfristige Risiken, da PE nach der Verwitterung eine erhöhte Umweltreaktivität aufwies. Insgesamt unterstreichen diese Ergebnisse, dass die Auswirkungen von Kunststoffen auf die Umwelt nicht universell sind, sondern von den Eigenschaften der Polymere und bodenspezifischen Bedingungen abhängen. Für die Risikobewertung in Agrarökosystemen ist es unerlässlich, den Bodentyp und den Abbauzustand und die Partikelgröße der Plastiksorten zu berücksichtigen, um die Folgen der Verwendung von konventionellen oder biologisch abbaubaren Kunststoffen in landwirtschaftlichen Böden abschätzen zu können.