Katika udongo wa kilimo, mikroplastiki zinazidi kuwa kundi la vichafuzi linalovutia uangalizi mkubwa. Mikroplastiki zinazoingia kwenye udongo kupitia njia kama vile vifuniko vya plastiki, mboji, umwagiliaji kwa maji machafu, usafirishaji wa angahewa na kuvunjika kwa plastiki za kilimo zinaweza kuathiri eneo la mizizi ya mimea.

Utafiti huu wa preprint unachunguza athari za aina tatu tofauti za mikroplastiki — PVC, PE na PS — kwa kitunguu saumu. Watafiti walikuza kitunguu saumu katika mazingira yaliyodhibitiwa ya chungu yenye mikroplastiki 1000 mg/kg na wakaongeza dozi tofauti za sodium silicate. Lengo ni kuelewa ikiwa aina ya mikroplastiki husababisha athari tofauti kwenye ukuaji wa kitunguu saumu, ukuaji wa mizizi, ubora wa kiazi, metaboli ya mizizi na mikrobiomu ya rizosfera.

Matokeo yanaonyesha kwamba aina zote tatu za mikroplastiki hupunguza uzito mbichi wa kiazi cha kitunguu saumu. Hata hivyo, athari si sawa: PVC, PE na PS huunda mifumo tofauti katika urefu wa mizizi, shughuli ya mizizi, vipengele vya ubora, usemi wa jeni, wasifu wa metaboliti na jamii ya vijidudu. Sodium silicate iliweza kuboresha baadhi ya sifa kama shughuli ya mizizi au uzito wa kiazi katika hali fulani; lakini haikutoa matokeo chanya katika kila polima na kila dozi.

Ujumbe mkuu wa utafiti ni huu: Inaweza kupotosha kufikiria mikroplastiki za udongoni kama kichafuzi kimoja tu. Aina ya plastiki iliyopo inaweza kubadili kwa kiasi kikubwa jinsi mmea utakavyoitikia.

Tatizo ni Nini?

Kwa muda mrefu, mikroplastiki zilijadiliwa zaidi pamoja na bahari na ekosistemu za maji. Hata hivyo, udongo wa kilimo pia unaweza kuwa eneo muhimu la mkusanyiko wa mikroplastiki. Malchi za plastiki, mifumo ya umwagiliaji, matumizi ya mboji, tope la maji taka, taka za vifungashio vya kilimo na bidhaa za plastiki zinazovunjika zinaweza kuacha chembe ndogo za plastiki kwenye udongo kadiri muda unavyopita.

Mikroplastiki zinazoingia kwenye udongo si kitu geni cha kimwili tu. Zinaweza kubadili matundu ya udongo, uwezo wa kushikilia maji, mgusano wa mizizi na udongo, mwendo wa virutubisho na makazi ya vijidudu. Hili linaweza kuathiri ukuaji wa mimea kwa njia isiyo ya moja kwa moja.

Kitunguu saumu ni zao la kuvutia katika muktadha huu. Kwa sababu sehemu yake inayoliwa ni kiazi kinachokua chini ya udongo. Hivyo, mabadiliko ya kimwili, kikemikali na kibayolojia katika eneo la mizizi yanaweza kuhusiana moja kwa moja na ukuaji wa bidhaa na sifa za ubora.

Swali la msingi la utafiti ni hili:

Je, mikroplastiki za PVC, PE na PS zinaonyesha athari ileile kwa kitunguu saumu, au kila polima huacha alama tofauti kwenye eneo la mizizi, metaboli na mikrobiomu ya mmea?

Swali la pili muhimu pia ni hili:

Je, sodium silicate inaweza kupunguza msongo wa mikroplastiki, au athari yake ni kidhibiti chenye masharti kinachobadilika kulingana na aina ya polima na dozi?

Mbinu Inapendekeza Nini?

Utafiti ulibuniwa kama jaribio la chungu lililodhibitiwa. Nyenzo ya mmea iliyotumiwa ni aina ya kitunguu saumu iitwayo “Cangshan garlic”. Watafiti waliandaa mazingira ya ukuzaji yaliyoundwa na mchanganyiko wa udongo, nyuzi za nazi na peat, na wakafanya urutubishaji wa msingi.

Aina tatu za mikroplastiki zilijaribiwa:

• PVC: Polyvinyl chloride
• PE: Polyethylene
• PS: Polystyrene

Kila aina ya mikroplastiki ilitumika katika kiwango cha 1000 mg/kg. Pamoja na hilo, sodium silicate ilijaribiwa katika viwango vinne:

• 0 mg/kg
• 500 mg/kg
• 1000 mg/kg
• 3000 mg/kg

Katika kundi la udhibiti hakukuwa na mikroplastiki wala sodium silicate.

Watafiti hawakutathmini kitunguu saumu kwa urefu, majani au uzito wa kiazi pekee. Uchambuzi wa tabaka nyingi ulifanywa:

• Ukuaji wa shina na biomasi ya jumla
• Urefu wa mizizi, idadi ya ncha za mizizi, matawi ya mizizi na shughuli ya mizizi
• Uzito mbichi wa kiazi na vipengele vya ubora
• Allicin, amino asidi huru, asidi askobiki, protini mumunyifu na sukari mumunyifu
• Uchunguzi wa uso wa mzizi kwa hadubini ya elektroni ya kuchanganua
• Transkriptomu ya mzizi, yaani wasifu wa usemi wa jeni
• Metabolomu ya mzizi, yaani wasifu wa molekuli ndogo/metaboliti
• Metagenomu ya rizosfera, yaani muundo wa jamii ya vijidudu karibu na mzizi

Mbinu hii ya vipimo vingi inajaribu kuelewa athari ya mikroplastiki si tu katika kiwango cha “mmea ulikua au haukukua?”, bali pia katika kiwango cha metaboli ya mizizi, mwitikio wa msongo na mikrobiomu ya eneo la mizizi.

Formuli Zinaeleza Nini?

Utafiti huu haujajengwa juu ya formuli nzito za kihisabati, bali juu ya vipimo vya kibaolojia vya tabaka nyingi na uchambuzi wa data za omiki.

Mantiki muhimu hapa ni kusoma tabaka tofauti za data kwa pamoja.

Uchambuzi wa transkriptomu, huonyesha ni jeni zipi zinaonyeshwa zaidi au kidogo. Kwa mfano, chini ya msongo wa mikroplastiki, mmea unaweza kuendesha zaidi jeni zinazohusiana na ukuta wa seli, ulinzi wa antioksidanti au ishara za homoni.

Uchambuzi wa metabolomu, huonyesha ni molekuli ndogo zipi huongezeka au kupungua katika mzizi. Sukari, amino asidi, misombo ya fenoli, vitokanavyo na asidi ya mafuta na metaboliti za antioksidanti zinaweza kueleza jinsi mmea unavyojipanga upya chini ya msongo.

Uchambuzi wa metagenomu, huonyesha jamii ya vijidudu karibu na mzizi inahamia kwenye makundi gani. Vijidudu katika eneo la mizizi ni muhimu kwa mzunguko wa virutubisho, ustahimilivu wa msongo na mwingiliano wa mmea na vijidudu.

Tabaka hizi tatu za data zinaposomwa pamoja, swali lifuatalo linaweza kuulizwa:

Je, mabadiliko yanayoonekana katika mwonekano wa nje wa mmea yanaendana na shughuli za jeni katika mzizi, wasifu wa metaboliti na mabadiliko ya jamii ya vijidudu?

Katika utafiti, njia zifuatazo ndizo zinazoonekana zaidi:

• Biosintesi ya fenilpropanoidi
• Metaboli ya glutathione
• Metaboli ya lipidi
• Metaboli ya wanga
• Metaboli ya amino asidi

Hizi ni njia kuu za kibaolojia zinazohusiana na udhibiti wa ukuta wa seli ya mmea, uwiano wa msongo wa kioksidishaji, muundo wa utando, matumizi ya nishati na usawa wa kaboni-nitrojeni.

Ujumbe Mkuu wa Grafu / Jedwali / Skema

Ujumbe mkuu wa vielelezo katika makala unaweza kufupishwa hivi:

Kundi la kwanza la vielelezo linaonyesha ukuaji wa shina la vitunguu saumu chini ya dozi tofauti za mikroplastiki na sodium silicate. Ujumbe mkuu ni huu: Mwonekano wa mimea, urefu, sifa za majani na biomasi ya jumla hubadilika si kwa uwepo wa mikroplastiki pekee, bali pia kulingana na aina ya polima na dozi ya sodium silicate. Katika baadhi ya michanganyiko ukuaji huungwa mkono, ilhali katika mingine kushuka huonekana.

Kielelezo cha usanifu wa mizizi kinaonyesha kwamba mikroplastiki zinaweza kuathiri mfumo wa mizizi katika mwelekeo tofauti. Ingawa mikroplastiki ya PS peke yake inaonekana kuongeza jumla ya urefu wa mizizi, PE na PS zimepunguza shughuli ya mizizi. Hii ni tofauti muhimu: Mzizi mrefu zaidi haumaanishi kila mara mzizi wenye afya zaidi au wenye shughuli zaidi. Mzizi unaweza kurefuka, lakini kazi yake ya kimetaboli inaweza kushuka.

Picha za SEM zinaonyesha kwamba katika baadhi ya makundi ya matibabu kuna mabadiliko ya kimuonekano kwenye uso wa mzizi, kama ukwaruzo, nyuso zisizo za kawaida au dalili zinazofanana na kuharibika kwa mipaka ya tishu. Hata hivyo, makala inakuwa makini hapa: picha hizi si ushahidi wa muundo wa kemikali. Kwa hiyo, haiwezi kusemwa kwa hakika kwamba miundo ya chembechembe inayoonekana ni moja kwa moja mkusanyiko wa sodium silicate au kushikamana kwa mikroplastiki.

Grafu za ubora wa kiazi zinaonyesha kwamba PVC, PE na PS hupunguza uzito mbichi wa kiazi ikilinganishwa na kundi la udhibiti. Upungufu unaonekana wazi zaidi katika kundi la PS. Sodium silicate imeongeza uzito wa kiazi katika baadhi ya makundi; kwa mfano, PE500 na baadhi ya dozi za PS zimeonyesha thamani kubwa zaidi. Hata hivyo, athari hii si sawa katika dozi zote.

Grafu za allicin na vipengele vya ubora zinaonyesha kwamba mikroplastiki na sodium silicate zinaweza kubadili si tu mavuno, bali pia viashiria vya ubora. Allicin imeongezeka katika baadhi ya michanganyiko ya sodium silicate. Viashiria kama amino asidi huru, asidi askobiki, protini mumunyifu na sukari mumunyifu vimebadilika kwa mwelekeo tofauti kulingana na mchanganyiko wa polima na dozi.

Vielelezo vya transkriptomiki vinaonyesha kwamba PVC, PE na PS husababisha idadi tofauti ya mabadiliko ya usemi wa jeni katika mzizi. PVC na PS zimezalisha mabadiliko mapana zaidi ya usemi wa jeni, ilhali PE imesababisha mwitikio mdogo zaidi wa transkriptomu. Hili linadokeza kwamba mmea hautambui kila aina ya mikroplastiki kama msongo uleule wa kibaolojia.

Vielelezo vya metabolomiki vinaonyesha kwamba PE na PS husababisha metaboliti tofauti zaidi kuliko PVC. Hali hii inaonyesha kwamba polima inayotoa mwitikio wenye nguvu zaidi katika kiwango cha jeni si lazima iwe ileile inayotoa mwitikio wenye nguvu zaidi katika kiwango cha metaboliti.

Vielelezo vya mikrobiomu vinaonyesha kwamba fila kuu za bakteria katika rizosfera zilibaki kwa ujumla zikiwa sawa; hata hivyo, katika kiwango cha jenasi baadhi ya makundi yalitofautiana kulingana na matibabu. Kwa hiyo, hata kama mikroplastiki hazibadilishi kikamilifu ekosistemu yote ya vijidudu, zinaweza kubadili uwiano wa baadhi ya makundi muhimu ya vijidudu karibu na mzizi.

Majaribio Yalifanywaje?

Jaribio lilifanyika nchini China katika eneo la Shandong Agricultural University. Vitunguu saumu vilikuzwa kwenye vyungu vya plastiki, na mikroplastiki pamoja na sodium silicate vilichanganywa kwenye mazingira ya ukuzaji kabla ya kupanda.

Kwa jumla kuna makundi 13 ya matibabu:

• Udhibiti
• PVC
• PVC500
• PVC1000
• PVC3000
• PE
• PE500
• PE1000
• PE3000
• PS
• PS500
• PS1000
• PS3000

Katika kila kundi, marudio matatu ya kibaolojia yalitumiwa na kila chungu kilikuwa na mimea 10 ya kitunguu saumu.

Vipimo vilifanywa katika vipindi viwili vikuu. Cha kwanza ni kipindi cha upanuzi wa kiazi, cha pili ni kipindi cha mavuno. Katika kipindi cha upanuzi wa kiazi, sampuli za mzizi, jani na rizosfera zilichukuliwa. Wakati wa mavuno, uzito wa kiazi na sifa za ubora zilipimwa.

Usanifu wa mizizi ulitathminiwa kwa skana na programu ya WinRHIZO. Shughuli ya mizizi ilipimwa kwa njia ya TTC. Enzimu za antioksidanti na viashiria vya msongo kama MDA vilibainishwa kwa mbinu za spektrofotometria.

Kwa uchambuzi wa transkriptomu, RNA ya mizizi ilifuatilishwa; kwa uchambuzi wa metabolomu, sampuli za mizizi zilichunguzwa kwa UPLC-MS/MS; kwa mikrobiomu ya rizosfera, ufuatiliaji wa metagenomu ulifanywa.

Uchambuzi wa omiki haukufanywa kwa makundi yote 13, bali kwa makundi yaliyochaguliwa yenye uwakilishi mkubwa: udhibiti, PVC, PVC1000, PE, PE1000, PS na PS1000.

Matokeo Yanaonyesha Nini?

Matokeo ya kwanza muhimu ya utafiti ni kwamba mikroplastiki hupunguza uzito mbichi wa kiazi cha kitunguu saumu. Mikroplastiki za PVC, PE na PS zimepunguza uzito mbichi wa kiazi kwa takriban %8,9, %18,8 na %22,1 mtawalia ikilinganishwa na kundi la udhibiti. Hii inaonyesha kwamba polima zote tatu huunda shinikizo la pamoja kwenye mavuno.

Matokeo ya pili ni kwamba mwitikio wa mizizi unategemea polima. Mikroplastiki ya PS imeongeza jumla ya urefu wa mizizi. Hata hivyo, PE na PS zimepunguza kwa kiasi kikubwa shughuli ya mizizi. Kwa hiyo, urefu wa mizizi haupaswi kusomwa peke yake kama kiashiria chanya. Kurefuka kimwili kwa mzizi na kufanya kazi kwa nguvu kimetaboli ni mambo tofauti.

Matokeo ya tatu ni kwamba sodium silicate huonyesha athari yenye masharti. PE1000 imetoa thamani ya juu zaidi katika jumla ya urefu wa mizizi. PE1000 na PS1000 zimeongeza shughuli ya mizizi. Hata hivyo, katika baadhi ya matumizi ya PVC na dozi kubwa athari ilikuwa dhaifu au hasi. Kwa sababu hii, sodium silicate haipaswi kufasiriwa kama kitu kinachosahihisha kila msongo wa mikroplastiki.

Matokeo ya nne yanahusu ubora wa kiazi. Katika makundi ya mikroplastiki pekee, uzito wa kiazi ulipungua, ilhali sodium silicate iliongeza uzito wa kiazi au viashiria vya ubora kama allicin katika baadhi ya michanganyiko. Hata hivyo, majibu katika sifa kama amino asidi huru, asidi askobiki, protini na sukari ni changamano. Si sahihi kutoa hitimisho la ubora wa jumla kwa kuangalia kiashiria kimoja tu cha ubora.

Matokeo ya tano ni kwamba usemi wa jeni katika kiwango cha mzizi hubadilika kwa nguvu. Maelfu ya jeni yalibadilisha kiwango cha usemi kati ya kundi la udhibiti na PVC, PE na PS. PVC na PS zilisababisha mabadiliko mengi zaidi ya usemi wa jeni kuliko PE. Hili linaonyesha kwamba mwitikio wa msongo wa mmea hutofautiana kijeni kulingana na aina ya mikroplastiki.

Matokeo ya sita ni kwamba PE na PS huleta mabadiliko yenye nguvu zaidi katika kiwango cha metaboliti. PE na PS zilisababisha mamia ya metaboliti tofauti kuongezeka au kupungua. Metaboliti hizi zinahusiana hasa na metaboli ya wanga, amino asidi, lipidi na antioksidanti.

Matokeo ya saba ni kwamba biosintesi ya fenilpropanoidi imejitokeza mara kwa mara. Njia hii inahusiana na kuimarisha ukuta wa seli, misombo ya fenoli, vitangulizi vya lignin na ulinzi wa antioksidanti. Chini ya msongo wa mikroplastiki, inawezekana kwamba mizizi ya kitunguu saumu inajaribu kupanga upya ukuta wa seli na usawa wa kioksidishaji.

Matokeo ya nane ni kwamba mikrobiomu ya rizosfera hubadilika katika kiwango cha jenasi. Ingawa fila kuu za bakteria zilibaki kwa ujumla zikiwa sawa, baadhi ya jenasi za bakteria zilitofautiana kulingana na makundi ya matibabu. Hii inaonyesha kwamba msongo wa mikroplastiki huacha alama si tu ndani ya mmea, bali pia katika mtandao wa vijidudu karibu na mzizi.

Kwa Nini Hii ni Muhimu?

Utafiti huu unaonyesha kwamba uchafuzi wa mikroplastiki katika mazao ya kilimo si tatizo la upande mmoja. Ikiwa mikroplastiki zinashughulikiwa tu katika kiwango cha “kuna plastiki kwenye udongo”, sehemu muhimu ya hatari inaweza kukosekana.

Kwa sababu polima tofauti zinaweza kutenda tofauti. PVC, PE na PS hazifanani katika msongamano, kemia ya uso, hidrofobiki, tabia ya kuzeeka na mwingiliano wa udongo-mzizi-kijidudu. Kwa hiyo, athari zao kwa mmea si lazima ziwe sawa.

Katika mimea inayounda kiungo kinacholiwa chini ya udongo kama kitunguu saumu, eneo la mizizi ni muhimu hasa. Usanifu wa mzizi, shughuli yake, vijidudu vinavyoizunguka na mtiririko wa kaboni-virutubisho kwenda kwenye kiazi kwa pamoja huamua utendaji wa zao.

Ujumbe muhimu zaidi wa utafiti kwa msomaji wa Verianla ni huu:

Ili kuelewa hatari ya mikroplastiki, haitoshi kuangalia tu urefu wa mmea au uzito wake wa jumla. Pia ni lazima kuona jinsi mzizi unavyopangwa upya, njia zipi za kimetaboli zinabadilika na mikrobiomu ya rizosfera inahamia wapi.

Mbinu hii inadokeza kwamba katika siku zijazo tathmini ya hatari ya mikroplastiki katika mimea ya chakula inapaswa kufanywa kwa mtazamo unaozingatia zaidi aina ya polima.

Mambo ya Kuzingatia

Makala hii ni preprint ambayo haijapitia tathmini ya rika. Matokeo yanaweza kubadilika baada ya mchakato wa tathmini ya kisayansi.

Utafiti ulifanywa kwa aina moja tu ya kitunguu saumu. Aina tofauti za kitunguu saumu au mimea mingine ya mizizi/kiazi zinaweza kutoa majibu tofauti.

Dozi ya mikroplastiki iko katika kiwango kimoja: 1000 mg/kg. Katika hali halisi za shambani, kiwango cha mikroplastiki, ukubwa wa chembe, hali ya kuzeeka, umbo na mchanganyiko vinaweza kuwa tofauti zaidi.

Jaribio lilifanywa katika hali za chungu. Katika hali za shambani, mvua, umwagiliaji, joto, biolojia ya udongo, kuzeeka kwa mikroplastiki na mwingiliano wa mmea-vijidudu huwa changamano zaidi.

Athari ya sodium silicate si chanya kila wakati. Katika baadhi ya matibabu urefu wa mizizi, shughuli ya mizizi au uzito wa kiazi huongezeka, ilhali katika baadhi ya michanganyiko athari huwa dhaifu au hasi. Kwa hiyo, sodium silicate haipaswi kuwasilishwa kama suluhisho la jumla la mikroplastiki.

Picha za SEM zinaonyesha mabadiliko ya kimuundo kwenye uso wa mzizi; lakini hazithibitishi kwa uhakika muundo wa kemikali wa miundo inayoonekana. Kwa hiyo, picha hizi hazipaswi kufasiriwa kama “tabaka la kinga la silicate limeundwa”.

Uchambuzi wa omiki ulifanywa katika makundi saba yaliyochaguliwa ya matibabu; si michanganyiko yote 13 iliyochunguzwa katika kiwango cha omiki.

Uchambuzi wa korelashi hauanzishi uhusiano wa sababu na matokeo. Metaboliti na jenasi ya kijidudu au sifa ya ubora zinaweza kubadilika pamoja; lakini hili halionyeshi moja kwa moja kwamba moja inasababisha nyingine.

Hitimisho

Utafiti huu wa preprint unaonyesha kwamba mikroplastiki katika udongo wa kilimo huleta athari zinazotegemea aina ya polima kwa kitunguu saumu. Mikroplastiki za PVC, PE na PS zimepunguza uzito mbichi wa kiazi; lakini hazikuonyesha athari ileile kwenye usanifu wa mizizi, shughuli ya mizizi, sifa za ubora wa kiazi, usemi wa jeni za mizizi, wasifu wa metaboliti na mikrobiomu ya rizosfera.

Sodium silicate iliweza kudhibiti majibu ya kitunguu saumu katika hali fulani na kuboresha baadhi ya sifa kama shughuli ya mizizi au uzito wa kiazi. Hata hivyo, athari hii inategemea aina ya polima, dozi na sifa inayopimwa. Kwa hiyo, sodium silicate inapaswa kutathminiwa si kama kifaa cha jumla cha kuboresha msongo wa mikroplastiki, bali kama kidhibiti kinachoweza kuwa na ufanisi katika hali mahususi.

Ujumbe wenye nguvu zaidi wa utafiti ni huu: Hatari ya mikroplastiki kwenye udongo haiwezi kueleweka kwa swali la “je, kuna plastiki?” pekee, bali kwa maswali ya “ni polima gani ipo, inafanya nini katika eneo la mizizi, na inabadilishaje metaboli ya mmea na mikrobiomu?”

Kumbukumbu ya Chanzo na Mbinu

Maandishi haya ni ufafanuzi uliorahisishwa wa Kiswahili wa utafiti wa preprint ambao haujapitia tathmini ya rika wenye kichwa “Polymer-specific toxicity of soil microplastics to garlic (Allium sativum L.): Multi-omics insights into root metabolic reprogramming, rhizosphere microbiome shifts, and sodium silicate modulation”. Si tafsiri ya neno kwa neno; lengo la makala, mbinu, ujumbe mkuu wa grafu, uchambuzi wa omiki, matokeo na mipaka yake vimeelezwa upya kwa namna asilia kwa msomaji wa Verianla.

Utafiti unatokana na Cangshan garlic, mikroplastiki za PVC/PE/PS, dozi tofauti za sodium silicate, jaribio la chungu lililodhibitiwa, usanifu wa mizizi, ubora wa kiazi, uchunguzi wa uso wa mzizi kwa SEM, pamoja na uchambuzi wa transkriptomiki, metabolomiki na metagenomiki ya rizosfera. Matokeo hayapaswi kuchukuliwa kama pendekezo la moja kwa moja la utekelezaji katika hali halisi za shambani; yanapaswa kutathminiwa kama utafiti uliodhibitiwa unaolenga kuelewa majibu ya mmea-mzizi-kijidudu yanayotegemea aina ya mikroplastiki.