Distinct responses of soil microbial communities and nitrogen cycle genes to PBAT and PLA microplastics

إن التربة أكثر بكثير من مجرد التراب الذي تحت أقدامنا؛ إنها محرك حي يتنفس ويغذي العالم. ففي أعماق هذه الأرض الداكنة، توجد شبكة هائلة من الكائنات المجهرية التي تقوم بالعمل الجوهري المتمثل في تحويل المواد الميتة إلى عناصر غذائية للنباتات. ومن بين أكثر المهام حيوية التي يقوم بها هؤلاء العمال الصغار هي إدارة النيتروجين، وهو عنصر حيوي تحتاجه النباتات للنمو. في الطبيعة، يتحرك هذا النيتروجين عبر دورة معقدة، حيث يتنقل بين أشكال كيميائية مختلفة بينما تقوم البكتيريا والفطريات بتفكيك النفايات، وإطلاق الغازات، وبناء حياة جديدة. وعندما تسير هذه الدورة بسلاسة، تظل التربة خصبة وصحية. ومع ذلك، أدخل النشاط البشري متغيراً جديداً في هذا النظام الضارب في القدم: البلاستيك. وبينما غالباً ما نفكر في البلاستيك كملوث دائم، فقد وصل جيل جديد من المواد المصممة لتتحلل في البيئة. تُسوق هذه البلاستيكات القابلة للتحلل الحيوي على أنها حل لأزمة النفايات، ومع ذلك، بدأ العلماء للتو في فهم ما يحدث عندما تتحلل هذه المواد في الأرض. هل تتلاشى ببساطة، أم أنها تغير الكيمياء الدقيقة للتربة والسلوك الحيوي للحياة المجهرية التي تدعمها؟

لقد شرع فريق من الباحثين في جامعة شيامن للتكنولوجيا في الإجابة على هذا السؤال من خلال مقارنة اثنين من أكثر أنواع البلاستيك القابل للتحلل الحيوي استخداماً في الزراعة: بولي (بوتيلين أديبات-كو-تيريفثالات)، المعروف باسم PBAT، وحمض البولي لاكتيك، المعروف باسم PLA. تُستخدم هذه المواد بشكل متكرر لصنع أغشية التغطية (المالتش) التي تغطي المحاصيل للحفاظ على دفء التربة ورطوبتها. أراد العلماء معرفة كيف سيغير هذان النوعان المختلفان من البلاستيك، عند تحللهما إلى جزيئات صغيرة، كيمياء التربة ومجتمع الميكروبات الذي يعيش فيها. وللقيام بذلك، قاموا بخلط كميات صغيرة من كل نوع من البلاستيك في عينات من التربة وتركها في الهواء الطلق لمدة ستة أشهر. ثم قاموا بقياس كيفية تغير التربة بدقة، مراقبين كل شيء بدءاً من حموضتها ومستويات العناصر الغذائية وصولاً إلى الجينات المحددة التي تتحكم في كيفية معالجة البتيريا للنيتروجين.

كشفت النتائج أن هذين النوعين من البلاستيك، رغم تصنيفهما معاً كـ "قابلة للتحلل الحيوي"، يتصرفان بطرق مختلفة تماماً بمجرد دخولهما إلى التربة. فقد عمل بلاستيك PBAT كمزعزع قوي للاستقرار؛ فبينما بدأ في التحلل، أطلق نواتج كيميائية أدت إلى رفع درجة حموضة التربة (pH)، مما جعلها أقل حموضة. وقد أدى هذا التحول في الكيمياء إلى سلسلة من التغييرات؛ حيث أصبحت التربة أغنى بالكربون العضوي، لكن مستويات النيتروجين المتاح انخفضت بشدة. وتحديداً، انخفضت كمية نيتروجين الأمونيوم بنسبة تقارب 90 بالمائة، وانخفض نيتروجين النترات بأكثر من النصف. في المقابل، روى بلاستيك PLA قصة مختلفة؛ فبينما قلل أيضاً من مستويات الأمونيوم، إلا أنه تسبب في الواقع في رفع مستويات النترات بنسبة 20 بالمائة تقريباً. يشير هذا إلى أنه بينما كان PBAT يحجز النيتروجين أو يزيله من النظام، كان PLA يسرع العملية التي تحول الأمونيوم إلى نترات، مما قد يجعل هذا النيتروجين أكثر عرضة للانجراف بعيداً عن التربة.

وفي تعمق أكبر في العالم المجهري، استخدم الباحثون تقنيات التسلسل الجيني المتقدمة لمعرفة أي الميكروبات تزدهر وأي الجينات نشطة. ووجدوا أن بلاستيك PBAB خلق بيئة فريدة تحبذ مجموعات معينة من البمايريا والفطريات، مثل Pseudomonadota وAscomycota، بينما قمعت مجموعات أخرى. والأهم من ذلك، أظهر النشاط الجيني في التربة المعالجة بـ PBAT نمطاً واضحاً: فالجينات المسؤولة عن تحويل الأمونيوم إلى نترات قد توقفت، بينما ارتفع نشاط الجينات التي تزيل النيتروجين من التربة تماماً. وهذا يفسر سبب انخفاض مستويات النيتروجين بهذا الشكل الحاد؛ إذ تم توجيه ميكروبات التربة للتوقف عن بناء النترات والبدء بدلاً من ذلك في تجريد النظام من النيتروجين. أما بلاستيك PLA، فقد كان له التأثير المعاكس على الآلية الميكروبية؛ فقد شجع نمو ميكروبات مختلفة وعزز الجينات المسؤولة عن تحويل الأمونيوم إلى نترات، مما أدى فعلياً إلى تسريع دورة النيتروجين في ذلك الاتجاه.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو كيفية تأثير بلاستيك PLA على قدرة التربة على التقاط النيتروجين الجديد من الهواء. فقد اكتشف الباحثون أن الجينات المسؤولة عن تثبيت النيتروجين، وهي عملية تقوم فيها بعض البكتيريا بسحب غاز النيتروجين من الغلاف الجوي وتحويله إلى شكل يمكن للنباتات استخدامه، قد زادت بكثافة على وجوار جزيئات PLA. فقد زادت هذه الجينات بأكثر من 160 بالمائة على سطح البلاستيك، وبأكثر من 80 بالمائة في التربة المحيطة. ويشير هذا إلى أن جزيئات PLA قد تعمل كمركز للبكتيريا التي يمكنها إضافة نيتروجين طازج إلى التربة، وهي فائدة لم تُلاحظ مع بلاستيك PBAT.

يخلص साथ الدراسة إلى أن ليس كل البلاستيكات القابلة للتحلل الحيوي متساوية. فبينما قد تشترك في تسمية واحدة، إلا أن هياكلها الكيميائية تؤدي إلى نتائج مختلفة تماماً بالنسبة لنظام التربة البيئي. يبدو أن PBAT يثبط قدرة التربة الطبيعية على الاحتفاظ بالنيتروجين، مما قد يؤدي إلى استنزاف مخزون العناصر الغذائية، بينما يبدو أن PLA يحفز تحويل النيتروجين إلى أشكال يمكن أن تنجرف بسهء، رغم أنه يشجع أيضاً على إضافة نيتروجين جديد. وتعد هذه النتائج تذكيراً هاماً بأن استبدال البلاستيك التقليدي ببدائل قابلة للتحلل الحيوي ليس حلاً بسيطاً؛ فنوع البلاستيك المستخدم تحديداً أمر بالغ الأهمية، حيث يتفاعل كل نوع بطريقته الفريدة مع المجتمع الحي في التربة، حاملاً معه مخاطر وعواقب متباينة على صحة الأرض.