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

Bodem is veel meer dan alleen de aarde onder onze voeten; het is een levende, ademende motor die de wereld voedt. Verborgen in deze donkere aarde bevindt zich een uitgestrekt netwerk van microscopische organismen die het essentiële werk verrichten om dood materiaal om te zetten in voedingsstoffen voor planten. Een van de meest cruciale taken die deze kleine werkers uitvoeren, is het beheer van stikstof, een vitaal element dat planten nodig hebben om te groeien. In de natuur beweegt deze stikstof door een complexe cyclus, waarbij het tussen verschillende chemische vormen verschuift terwijl bacteriën en schimmels afval afbreken, gassen vrijgeven en nieuw leven opbouwen. Wanneer deze cyclus soepel verloopt, blijft de bodem vruchtbaar en gezond. Menselijke activiteit heeft echter een nieuwe variabele geïntroduceerd in dit eeuwenoude systeem: plastic. Hoewel we plastic vaak beschouwen als een permanente vervuiler, is er een nieuwere generatie materialen gearriveerd, ontworpen om af te breken in de omgeving. Deze biologisch afbreekbare plastics worden gepromoot als een oplossing voor de afvalcrisis, maar wetenschappers beginnen pas net te begrijpen wat er gebeurt wanneer deze materialen in de grond ontbinden. Verdwijnen ze simpelweg, of veranderen ze de delicate chemie van de bodem en het gedrag van het microscopische leven dat het land ondersteunt?

Een team onderzoekers aan de Xiamen University of Technology zette zich in om deze vraag te beantwoorden door twee van de meest gebruikte biologisch afbreekbare plastics in de landbouw te vergelijken: poly(butyleen-adipaat-co-tereftalaat), bekend als PBAT, en polylactide, bekend als PLA. Deze materialen worden veelvuldig gebruikt om mulchfolies te maken die gewassen bedekken om de bodem warm en vochtig te houden. De wetenschappers wilden zien hoe deze twee verschillende plastics, wanneer ze afbreken tot kleine deeltjes, de chemie van de bodem en de gemeenschap van microben die erin leven zouden veranderen. Hiervoor mengden ze kleine hoeveelheden van elk plastic in bodemmonsters en lieten deze zes maanden buiten liggen. Vervolgens maten ze zorgvuldig hoe de bodem veranderde, waarbij ze alles onderzochten van de zuurgraad en nutriëntenniveaus tot de specifieke genen die bepalen hoe bacteriën stikstof verwerken.

De resultaten toonden aan dat deze twee plastics, hoewel beide gelabeld zijn als "biologisch afbreekbaar", zich zodra ze de bodem binnendringen op opvallend verschillende manieren gedragen. Het PBAT-plastic trad op als een krachtige verstoorder. Terwijl het begon af te breken, kwamen er chemische bijproducten vrij die de pH-waarde van de bodem verhoogden, waardoor deze minder zuur werd. Deze verschuiving in chemie veroorzaakte een cascade van veranderingen. De bodem werd rijker aan organische koolstof, maar de niveaus van beschikbare stikstof kelderden. Specifiek daalde de hoeveelheid ammoniumstikstof met bijna 90 procent, en de nitraatstikstof daalde met meer dan de helft. In contrast hiermee vertelde het PLA-plastic een ander verhaal. Hoewel het ook de ammoniumniveaus verlaagde, zorgde het er juist voor dat de nitraatniveaus met ongeveer 20 procent stegen. Dit suggereert dat waar PBAT de stikstof vasthield of uit het systeem verwijderde, PLA het proces versnelde waarbij ammonium wordt omgezet in nitraat, wat die stikstof potentieel vatbaarder maakt om uit de bodem weg te spoelen.

Bij een diepere duik in de microscopische wereld gebruikten de onderzoekers geavanceerde genetische sequencing om te zien welke microben gedijden en welke genen actief waren. Ze ontdekten dat het PBAT-plastic een unieke omgeving creëerde die specifieke groepen bacteriën en schimmels, zoals Pseudomonadota en Ascomycota, bevoordeelde, terwijl andere onderdrukte. Belangrijker nog was dat de genetische activiteit in de door PBAT behandelde bodem een duidelijk patroon vertoonde: de genen die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van ammonium in nitraat werden uitgeschakeld, terwijl de genen die stikstof uit de bodem verwijderen, werden opgevoerd. Dit verklaart waarom de stikstofniveaus zo sterk daalden; de bodemmicroben werden gestuurd om te stoppen met het opbouwen van nitraat en in plaats daarvan stikstof uit het systeem te strippen. Het PLA-plastic had echter het tegenovergestelde effect op de microbiële machinerie. Het stimuleerde de groei van andere microben en versterkte de genen die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van ammonium in nitraat, waardoor het proces in die richting effectief werd versneld.

Misschien wel de meest verrassende bevinding was hoe het PLA-plastic de capaciteit van de bodem om nieuwe stikstof uit de lucht op te vangen beïnvloedde. De onderzoekers ontdekten dat de genen die verantwoordelijk zijn voor stikstoffixatie, een proces waarbij bepaalde bacteriën stikstofgas uit de atmosfeer halen en omzetten in een vorm die planten kunnen gebruiken, massaal verrijkt waren op en rond de PLA-deeltjes. Deze genen namen met meer dan 160 procent toe op het oppervlak van het plastic en met meer dan 80 procent in de omliggende bodem. Dit suggereert dat de PLA-deeltjes mogelijk fungeren als een knooppunt voor bacteriën die verse stikstof aan de bodem kunnen toevoegen, een voordeel dat niet werd gezien bij het PBAT-plastic.

De studie concludeert dat niet alle biologisch afbreekbare plastics gelijk zijn. Hoewel ze hetzelfde label kunnen delen, leiden hun chemische structuren tot zeer verschillende uitkomsten voor het bodemecosysteem. PBAT lijkt het natuurlijke vermogen van de bodem om stikstof vast te houden te onderdrukken, wat potentieel de nutriëntenvoorraad uitput, terwijl PLA de omzetting van stikstof naar vormen lijkt te stimuleren die gemakkelijk kunnen uitspoelen, hoewel het ook de toevoeging van nieuwe stikstof stimuleert. Deze bevindingen dienen als een cruciale herinnering dat het vervangen van conventionele plastics door biologisch afbreekbare alternatieven geen eenvoudige oplossing is. Het specifieke type plastic dat wordt gebruikt, is van groot belang, aangezien elk type op zijn eigen unieke manier interageert met de levende gemeenschap van de bodem, met de bijbehorende specifieke risico's en gevolgen voor de gezondheid van het land.