Die terrestrische Plastisphäre

Abstract

Plastic is everywhere. Its ubiquity in soils, air and waters has emerged as a persistent environmental issue - impacting ecosystems worldwide. While early studies on plastic pollution primarily focused on marine environments, research has only recently shifted its attention to terrestrial environments, where exposure to plastic pollution is now thought to significantly exceed that of marine environments. As of 2024, in the midst of global change, it has become evident that our soils have become major sinks for plastic debris. In soil, microbial communities secure soil nutrient cycling and the presence of plastic debris may alter those processes by influencing both activity, composition and metabolism of the environmental soil microbiome. Given this state of the art in soil microbial ecology, my thesis revolves around the question “how does plastic debris in soil affect the microbial soil community?” In my thesis chapters, I focused on three research questions in particular: 1) Is plastic debris in soil a distinct microbial habitat? 2) What are the molecular mechanisms behind plastic colonization and possible degradation? 3) Does plastic debris enrich specific microbial taxa (and genes) capable of plastic biodegradation? To answer these questions, I characterized microbial communities in two highly polluted soil ecosystems and compared them to plastic-free soils using 16S rRNA amplicon sequencing. I assessed the plastic-colonizing potential of microorganisms from these sites by examining their adhesion to UV-weathered polyethylene (PE) with FESEM and SEM analysis. Additionally, I conducted an incubation experiment to analyse gene expression profiles of microbial biofilm communities attached to soil-buried PE using metagenomic mRNA analysis. I also isolated bacterial strains from plastic debris as potential candidates for PE degradation. My findings indicate that plastic debris in soil creates a unique microbial habitat with reduced species diversity compared to less polluted soils. This distinctiveness is marked by the prevalence of plastic-degrading microbial taxa from the rare biosphere in early-stage PE-attached biofilms. I detected genes with potential to degrade plastic compounds in isolated bacterial strains and both studied soil types, suggesting that PE-specific enzymes are present even in natural soil ecosystems. Furthermore, my results highlight the importance of Cyanobacteria and nitrogen-fixing microorganisms in plastic-polluted soils, securing crucial secondary functions alongside the advantages of plastic-degrading taxa. Overall, my research elucidates the complex microbial dynamics in plastic-polluted soils, emphasizing the novel properties and challenges of this anthropogenic microhabitat. These findings enhance our understanding of the impacts of plastic debris on soil ecosystems and contribute to strategies for mitigating plastic pollution.Plastik ist allgegenwärtig. Die Verbreitung von Kunststoffpartikeln in Böden, Luft und Gewässern beeinflusst Ökosysteme und Organismen weltweit. Während sich frühe Studien zur Plastikverschmutzung hauptsächlich auf marine Systeme konzentrierten, wird im Jahr 2024 deutlich, dass unsere Böden mittlerweile Senken für Kunststoffe verschiedenster Art und Herkunft darstellen. Mikrobielle Gemeinschaften in Böden sind entscheidend für den Nährstoffkreislauf, und der Eintrag von Kunststoffpartikeln kann diese Prozesse verändern, indem sie die Aktivität, Zusammensetzung und den Stoffwechsel der Mikroorganismen im Boden beeinflusst. Vor diesem Hintergrund untersucht meine Dissertation die Frage: „Wie beeinflusst der zunehmende Eintrag von Kunststoffen in Böden die mikrobielle Bodengemeinschaft?“ Dabei konzentrierte ich mich auf drei zentrale Forschungsfragen: Erstens, schaffen Kunststoffpartikel im Boden einen eigenständigen mikrobiellen Lebensraum? Zweitens, welche molekularen Mechanismen stehen hinter der Kolonisierung und möglichen Zersetzung von Kunststoffen? Und drittens, reichern Kunststoffe im Boden spezifische mikrobielle Arten und Gene an, die in der Lage sind, Kunststoffe abzubauen? Um diese Fragen zu beantworten, untersuchte ich die mikrobiellen Gemeinschaften in Böden mit hohem Kunststoffeintrag mittels 16S rRNA Amplicon-Sequenzierung und verglich diese mit weniger belasteten Böden aus derselben Regio. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit von Plastik in Böden zu einer reduzierten mikrobiellen Artenvielfalt im Vergleich zu weniger belasteten Böden führt. Kunststoffe in Boden können somit als ein spezialisierter mikrobieller Lebensraum bezeichnet werden (terrestrische Plastisphäre). Des Weiteren untersuchte ich das Potenzial der Bodenmikroorganismen zur erfolgreichen Kolonisierung und dem Bewuchs von Kunststoffoberflächen im Laborversuch. Hierbei wurden PE-Folien sowohl in kunststoffreichen Böden, als auch in einem unbelasteten Waldboden über einen Zeitraum von 2,7,14 und 53 Tagen in geschlossenen Mikrokosmen inkubiert. Demnach wurde RNA aus dem anhaftenden Biofilm extrahiert und in Folge sequenziert (Metatranskriptom). Die Analyse dieser Metatranskriptom-daten zeigte eine zeitliche Aktivierung (Sukzession) spezifischer Enzyme die bei der Besiedlung von Plastikoberflächen in Böden eine wichtige Rolle spielen. Gene die für den Abbau von langkettigen Kohlenwasserstoffen bekannt sind (alkB/M), waren im Metatranskriptom des PE-Biofilms zu finden. Ebenso ließen sich diese Gene in dem aus kunststoffreichem Boden neu isolierten Bakterienstamm Nocardioides alcanivorans sp. Nov nachweisen. Insgesamt verdeutlicht meine Forschung die komplexen mikrobiellen Dynamiken in plastikverschmutzten Böden (terrestrische Plastisphäre) und betont die neuartigen Eigenschaften und Herausforderungen dieses anthropogenen Mikrohabitats. Diese Erkenntnisse erweitern unser Verständnis für die Auswirkungen von Kunststoffeintrag in unsere Bodensysteme und tragen hoffentlich zur Entwicklung von Strategien zur Bekämpfung der Plastikverschmutzung bei