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Abstract (English)
Microplastics (MP) are plastic particles from 100 nm to 5 mm with different shapes and chemical compositions. In aquatic ecosystems, MP have proven to affect the biological fitness of aquatic organisms, enter the food web, and act as vectors of pollutants. Agricultural soils are sinks for MP due to inputs via sewage sludges, plastic mulches, and organic fertilizers. However, ecological consequences of MP in agricultural soils are unknown.
This doctoral thesis aimed to evaluate the risk of conventional and biodegradable MP for soil organisms in agricultural soils. A microcosm study was combined with a field study and a nematode study to investigate background concentrations, the persistence, and the biodegradation of MP in the soil, and effects of MP on soil microorganisms and nematodes.
In the microcosm study, the influence of plastic type, particle size, and soil moisture on the biodegradation of MP in the soil and on effects on soil microorganisms were examined under controlled conditions (25 °C, 230 days). The abundance and composition of the main soil microbial groups was analyzed via phospholipid fatty acids (PLFAs) as biomarkers; activities of C cycling enzymes driving the decomposition of differently complex substances were analyzed as proxies for C turnover. To understand better the role of MP as an interface for specific microbial processes in the soil, e.g. the enzymatic hydrolysis of MP, enzyme activities of individual MP particles extracted from the soil were measured.
The site of the field study was a conventionally managed agricultural soil (silt-loam Luvisol) of the Heidfeldhof, University of Hohenheim. No practices associated with significant inputs of MP have been conducted at the site in the past (sewage sludge, organic fertilizers, plastic mulch). In a randomized complete block design, the effects of MP, organic fertilizers (digestate and compost), and their interactions on soil microbiological indicators (microbial biomass, soil enzymes) were studied. Before the setup of the field study, MP background concentrations (particle-based) in the soil were analyzed. The persistence of added MP in the soil was evaluated by comparing MP concentrations in the soil after 1 month and 17 months with initial MP concentrations after addition.
In the nematode study, the soil-dwelling nematode Caenorhabditis elegans was exposed to MP feed suspensions on agar plates. The uptake of MP through nematodes and the influence of plastic type and concentration on MP effects on nematode reproduction and body length were examined.
In all studies, artificially fragmented MP from a conventional polymer (low-density polyethylene, LDPE) and a biodegradable polymer blend (poly(lactic acid) and poly(butylene adipate-co-terephtalate), PLA/PBAT) were used. The occurrence of both LDPE- and PLA/PBAT-MP is likely in agricultural soils because these are used for plastic mulches and compost bags.
Results from this thesis suggest that (1) agricultural soils, including those without management practices related to significant MP entry, contain various MP, indicating diffuse MP inputs via atmospheric deposition, littering, and the abrasion of machinery coatings (a possible newly identified pathway), (2) also biodegradable MP persist and are slowly biodegraded in the soil implying a long term exposure risk for soil organisms to MP, (3) MP have no acute negative effects on microorganisms and C turnover, (4) MP form a specific habitat in the soil, the plastisphere, where MP-specific processes take place, e.g. the enzymatic hydrolysis of PLA/PBAT, (5) MP can enter the soil food web via nematodal uptake and affect nematode reproduction, which could destabilize the soil food web.
Abstract (German)
Mikroplastik (MP) sind Kunststoffpartikel von 100 nm bis 5 mm unterschiedlicher Form und chemischer Zusammensetzung. In aquatischen Ökosystemen beeinträchtigen Mikroplastikpartikel nachweislich die biologische Fitness von Wasserorganismen, gelangen in das Nahrungsnetz und fungieren als Vektor von Schadstoffen. Landwirtschaftliche Böden sind aufgrund des Eintrags von Klärschlämmen, Plastikmulch und organischen Düngemitteln Senken für MP. Die ökologischen Folgen von MP in landwirtschaftlichen Böden sind jedoch unbekannt.
Ziel dieser Arbeit war es, das Risiko von konventionellen und biologisch abbaubaren MP für Bodenorganismen in landwirtschaftlichen Böden zu bewerten. Eine Mikrokosmenstudie wurde mit einer Feldstudie und einer Nematodenstudie kombiniert, um Hintergrundkonzentrationen, die Persistenz, und den biologischen Abbau von MP im Boden sowie Effekte von MP auf Bodenmikroorganismen und Nematoden zu untersuchen.
In der Mikrokosmensstudie wurde der Einfluss des Kunststofftyps, der Partikelgröße und der Bodenfeuchte auf den biologischen Abbau von MP im Boden und auf die Effekte auf Bodenmikroorganismen unter kontrollierten Bedingungen (25 °C, 230 Tage) untersucht. Die Abundanz und Zusammensetzung der wichtigsten mikrobiellen Gruppen im Boden wurde via Phospholipidfettsäuren (PLFAs) als Biomarker analysiert; die Aktivitäten von Enzymen des C-Kreislaufs, die den Abbau unterschiedlich komplexer Substanzen katalysieren, wurden als Indikatoren für den C-Umsatz analysiert. Um die Rolle von MP als Schnittstelle für spezifische mikrobielle Prozesse im Boden, z. B. die enzymatische Hydrolyse von MP, besser zu verstehen, wurden Enzymaktivitäten einzelner aus dem Boden extrahierter MP-Partikel gemessen.
Der Standort der Feldstudie war ein konventionell bewirtschafteter landwirtschaftlicher Boden (schluffig-lehmiger Luvisol) auf dem Heidfeldhof der Universität Hohenheim. Am Standort wurden in der Vergangenheit keine Praktiken durchgeführt, die mit einem signifikanten Eintrag von MP verbunden waren (Klärschlamm, organischer Dünger, Plastikmulch). In einem randomisierten Blockdesign wurden die Effekte von MP, organischen Düngemitteln (Gärreste und Kompost) und deren Wechselwirkungen auf mikrobiologische Indikatoren im Boden (mikrobielle Biomasse, Bodenenzyme) untersucht. Vor Etablierung der Feldstudie wurden die Hintergrundkonzentrationen von MP im Boden (auf Partikelbasis) analysiert. Die Persistenz der zugesetzten MP im Boden wurde durch den Vergleich der MP-Konzentrationen im Boden nach 1 Monat und 17 Monaten mit den ursprünglichen MP-Konzentrationen nach der Zugabe bewertet.
In der Nematodenstudie wurde der bodenbewohnende Nematode Caenorhabditis elegans MP-Futtersuspensionen auf Agarplatten exponiert. Untersucht wurden die Aufnahme von MP durch die Nematoden und der Einfluss von Kunststofftyp und -konzentration auf die Effekte von MP auf die Reproduktion und Körperlänge der Nematoden.
In allen Studien wurde künstlich fragmentiertes MP aus einem herkömmlichen Polymer (Polyethylen niedriger Dichte, LDPE) und einer biologisch abbaubaren Polymermischung (Polymilchsäure und Poly(butylenadipat-co-terephtalat), PLA/PBAT) verwendet. Das Vorkommen von LDPE- und PLA/PBAT-MP in landwirtschaftlich genutzten Böden ist wahrscheinlich, da diese für Kunststoffmulch und Kompostsäcke verwendet werden.
Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit legen nahe, dass (1) landwirtschaftliche Böden, auch solche ohne Bewirtschaftungspraktiken, die mit einem signifikanten MP-Eintrag verbunden sind, verschiedene MP enthalten, was auf einen diffusen MP-Eintrag über atmosphärische Deposition, „Littering“ und den Abrieb von Maschinenbeschichtungen (ein möglicher neu identifizierter Eintragspfad) hindeutet, (2) auch biologisch abbaubare MP im Boden verbleiben und nur langsam biologisch abgebaut werden, was ein langfristiges Expositionsrisiko für Bodenorganismen gegenüber MP impliziert, (3) MP keine akuten negativen Effekte auf Mikroorganismen und den C-Umsatz haben, (4) MP ein spezifisches Habitat im Boden, die Plastisphäre, bilden, in der MP-spezifische Prozesse ablaufen, z. B. die enzymatische Hydrolyse von PLA/PBAT, (5) MP über die Aufnahme durch Nematoden in das Bodennahrungsnetz gelangen und die Vermehrung von Nematoden beeinflussen können, was das Bodennahrungsnetz destabilisieren könnte.
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Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Soil Science and Land Evaluation
Examination date
2023-03-02
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English
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Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
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Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Schöpfer2022,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6824},
author = {Schöpfer, Lion},
title = {Microplastics interactions with soil organisms},
year = {2022},
school = {Universität Hohenheim},
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