Impact of microplastics on threshold friction velocity in agricultural fields

The occurrence of microplastics in the environment constitutes a significant global con cern. In this thesis, carried out at Wageningen University & Research, the role of wind erosion in the dispersion of microplastics was investigated. A laboratory experiment was conducted using different concentrations of microplastics (0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, and 1.5% w:w) mixed with agricultural soil. The behavior of two types of microplastics was explored: Low-Density PolyEthylene (LDPE) and one type of starch-based biodegrad able plastic. The Portable In-Situ Wind ERosion Lab (PI-SWERL), a compact device employed in wind erosion research that creates an air stream above the soil surface causing the soil particles to be released, was utilized to assess the threshold friction velocity (TFV) and was connected to a vacuum cleaner to sample the eroded particles. The microplastics were extracted using an extraction technique that involves filtration on polycarbonate membranes and digestion with H2O2. The results showed that TFV decreased with the addition of LDPE microplastics, while for starch microplastics the results did not man ifest a uniform trend or pattern. The enrichment ratio (ER) measured ranged between 1.67 and 16.30 for LDPE and 1.61 and 36.16 for starch-based microplastics. A field ex periment was conducted for examining the behavior of agricultural soil enriched with microplastics (0, 0.01 and 0.1% w:w). The TFV under field conditions decreased with the addition of microplastics for LDPE and increased for starch-based microplastics. The ER ranged from 2.51 to 22.10 for LDPE and 1.13 and 17.50 for starch-based plastics. In conclusion, this research highlights the critical role of microplastics in altering soil’s TFV and demonstrates their susceptibility to wind transport, especially from agricultural fields. The findings stress the need for further studies, including the use of PI-SWERL and deeper exploration of the relationship between wind erosion and soil moisture.

La diffusione di microplastiche nell’ambiente rappresenta una fonte di preoccupazione rilevante a livello globale. In questa tesi, svolta presso l’università di Wageningen, è stato investigato il ruolo dell’erosione del vento nella propagazione delle microplastiche. È stato condotto un esperimento di laboratorio utilizzando diverse concentrazioni di mi croplastiche (0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1 e 1.5% w:w) combinate con un campione di terreno prelevato dal sito di studio. Sono stati esplorati i comportamenti di due tipi di microplas tiche: polietilene a bassa densità (LDPE) e un tipo di plastica biodegradabile a base di amido. Per condurre l’esperimento è stato utilizzato un dispositivo chiamato Portable In-Situ Wind ERosion Lab (PI-SWERL), un dispositivo compatto utilizzato negli studi sull’erosione eolica, che genera un flusso d’aria sopra la superficie del suolo causando il distacco delle particelle di terreno, è stato impiegato per valutare la velocità di attrito di soglia (TFV) ed è stato collegato a un aspirapolvere per campionare le particelle erose. Le microplastiche sono state estratte utilizzando una tecnica di estrazione che prevede la filtrazione e la digestione con H2O2. La velocità di taglio critica è diminuita con l’aggiunta di microplastiche LDPE, mentre i risultati non hanno mostrato lo stesso andamento con le microplastiche a base di amido. Il rapporto di arricchimento (ER) è variato tra 1.67 e 16.30 per le microplastiche di LDPE e tra 1.61 e 36.16 per le microplastiche a base di amido. È stato condotto un esperimento sul campo per esaminare il comportamento di un suolo agricolo arricchito con microplastiche (0, 0.01 e 0.1% w:w). La velocità di taglio critica misurate nell’esperimento in campo è diminuita con l’aggiunta di microplastiche LDPE ed è aumentata per le microplastiche a base di amido. L’ER è variato da 2.51 a 22.10 per l’LDPE e da 1.13 a 17.50 per le microplastiche a base di amido. In conclusione, questa ricerca evidenzia il ruolo cruciale dei microplastici nell’alterare la velocità di attrito di soglia del suolo e dimostra la loro suscettibilità al trasporto eolico, in particolare dai campi agricoli. I risultati sottolineano la necessità di ulteriori studi, inclusa l’applicazione del PI-SWERL e un’esplorazione più approfondita della relazione tra erosione eolica e umidità del suolo.