張佳佳,陳延華,王學(xué)霞,倪小會(huì),劉東生,李麗霞,鄒國(guó)元

(北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所 北京 100097)

塑料是由多種合成或半合成有機(jī)物組成的高分子聚合物,通常從石油等化石燃料的副產(chǎn)品中提取出來(lái),具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能(如耐腐蝕性和良好的絕緣性)。塑料價(jià)格低且易于加工,因此,廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì),2005—2019年,全球塑料年產(chǎn)量從2.30億t增長(zhǎng)到3.48億t[1]。塑料工業(yè)的快速發(fā)展給我們的日常生活帶來(lái)了極大的便利,但與此同時(shí)也產(chǎn)生了大量的塑料垃圾和一系列的環(huán)境問(wèn)題。日常生活中對(duì)塑料垃圾的不當(dāng)處理,導(dǎo)致塑料以顆?；蛩槠螒B(tài)在海洋、淡水和陸地環(huán)境中不斷積累。塑料垃圾的急劇增加及由此帶來(lái)的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題引起了廣泛的關(guān)注。

塑料產(chǎn)品能夠在自然環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在,在各種外力作用下,塑料垃圾分解成小塊,形成“微塑料”。微塑料的概念最早在2004年由英國(guó)學(xué)者Thompson提出,定義為直徑小于5 mm的塑料顆粒和碎片,具有不同的形態(tài)(如顆粒、泡沫、碎片、薄膜和纖維狀等)和顏色(如透明、紅色、黑色、藍(lán)色等)[2-3]。與大尺寸的塑料垃圾相比,微塑料具有體積小,比表面積大,吸附污染能力強(qiáng)等特性,是造成污染的主要負(fù)荷載體。環(huán)境中的微塑料在風(fēng)、洋流等外力的作用下發(fā)生遷移,廣泛地存在于海洋、淡水、陸地及生物體中,成為近年來(lái)環(huán)境污染研究的熱點(diǎn)。

盡管微塑料的研究多集中于水環(huán)境[4-5],但其重要的源——陸地生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)及其豐度等問(wèn)題的研究是生態(tài)安全和綠色發(fā)展的迫切需求[6-7]。為了更系統(tǒng)、全面地了解土壤中微塑料的特征及研究現(xiàn)狀,本研究綜述了1)土壤中微塑料的來(lái)源和分布;2)土壤中微塑料的分離、提取和鑒定方法;3)微塑料對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響;4)土壤微塑料的生態(tài)環(huán)境效應(yīng);5)微塑料污染的管控措施。并提出了土壤微塑料研究的未來(lái)挑戰(zhàn),為微塑料的污染防治提供參考。

1 土壤中微塑料的來(lái)源、分布和遷移

1.1 土壤中微塑料的來(lái)源

根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同,可將環(huán)境中微塑料分為初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料是指以某種方式首次設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的微塑料顆粒,包括工業(yè)原料中的塑料顆粒、樹(shù)脂顆粒以及含有微塑料顆?；蚯鍧嵨⒅榈墓I(yè)化產(chǎn)品,如清潔護(hù)理品(洗面奶、化妝品、牙膏)和藥物等[8]。次生微塑料是指大型塑料廢棄物經(jīng)過(guò)物理(風(fēng)力、磨損、水體擾動(dòng))、化學(xué)(凍融循環(huán)、紫外光輻射、氧氣)和生物(降解)等過(guò)程分解,體積減小形成的塑料顆粒[9]。進(jìn)入農(nóng)業(yè)土壤的大塊塑料和微塑料的主要來(lái)源包括農(nóng)用塑料薄膜的使用、污泥的土地利用、有機(jī)肥施用、地表徑流和污水灌溉以及大氣沉降等(圖1和圖2)。

農(nóng)田塑料薄膜和地膜在全球范圍內(nèi)廣泛使用,它可以通過(guò)節(jié)水、保濕、除草、增溫、抗寒等提高作物產(chǎn)量和耗水效率[10]。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,塑料薄膜的使用會(huì)造成嚴(yán)重的污染問(wèn)題。在中國(guó),尤其是北方地區(qū),地膜覆蓋導(dǎo)致微塑料在農(nóng)田中大量積累。1991—2011年間,中國(guó)農(nóng)用地膜的使用量從32萬(wàn)t增加到125萬(wàn)t,增長(zhǎng)了3倍[11]。預(yù)計(jì)農(nóng)用地膜的覆蓋面積還會(huì)以8%～10%的速度繼續(xù)增加[12]。超過(guò)80%的農(nóng)業(yè)薄膜由低密度聚乙烯制成,主要用于溫室薄膜(150～200 μm)和農(nóng)用地膜[13]。由于缺乏能夠回收土壤中塑料制品的設(shè)備,導(dǎo)致作物收獲后大量殘膜積累在農(nóng)田土壤中。這些殘膜在耕作、紫外線(xiàn)照射和生物降解的作用下,慢慢在土壤中形成宏觀(guān)、微觀(guān)和納米塑料的連續(xù)體[14]。

污泥的土地利用是土壤環(huán)境中微塑料的主要來(lái)源之一。污泥是污水處理廠(chǎng)的終端產(chǎn)物,富含微量元素和有機(jī)質(zhì),因而通常被當(dāng)作肥料施用到農(nóng)田中。污水處理廠(chǎng)的水源主要包括雨水、生活廢水和工業(yè)廢水等,污水中大部分微塑料通過(guò)污水處理的沉降過(guò)程分離出來(lái),最終夾帶在污泥中[15]。研究表明,污水處理后約90%的微塑料沉積在污泥中,其含量達(dá)1500～24 000個(gè)·kg?1[16-17],而傳統(tǒng)的污泥預(yù)處理方法如厭氧發(fā)酵、熱干化等均不能有效去除這些微塑料顆粒。因此,將含有微塑料的污泥作為肥料施用到農(nóng)田中,會(huì)增加土壤中微塑料含量。

有機(jī)廢棄物經(jīng)過(guò)堆肥、發(fā)酵后可作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)施用到農(nóng)田中,有機(jī)肥已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的肥料,尤其在設(shè)施農(nóng)業(yè)中施用量更大。相比于污泥,關(guān)于有機(jī)肥中微塑料含量及通過(guò)農(nóng)用輸入到土壤中的量的研究較少。Weithmann等[18]研究表明,堆肥和生物廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的有機(jī)肥料普遍含有微塑料,其中粒徑＞1 mm的塑料含量約有14～895個(gè)·kg?1;Bl?sing等[19]對(duì)德國(guó)某有機(jī)肥加工廠(chǎng)樣品進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)粒徑＞0.5 mm的塑料碎片含量為2.38～180 mg·kg?1。我國(guó)是有機(jī)肥生產(chǎn)和使用大國(guó),僅商品有機(jī)肥的年產(chǎn)量就在2500萬(wàn)t以上,施用量約為2200萬(wàn)t。根據(jù)目前調(diào)查的有機(jī)肥中微塑料含量估算,我國(guó)農(nóng)田土壤中每年由于有機(jī)肥施用帶入的微塑料量為52.4～26 400.0 t,若考慮到有機(jī)肥施用量的逐年增幅以及粒徑＜0.5 mm的微塑料含量,其數(shù)量會(huì)更高。因而,有機(jī)肥的施用是土壤中微塑料的又一個(gè)重要來(lái)源。

地表徑流或污水灌溉也是土壤中微塑料的來(lái)源。Zhao等[20]對(duì)長(zhǎng)江口水表面的研究調(diào)查顯示,微塑料豐度達(dá)4137.3±2461.5個(gè)·m?3;Zhang等[21]研究表明,即使在偏遠(yuǎn)的內(nèi)陸湖泊河岸也發(fā)現(xiàn)了大量微塑料的存在。地表徑流及農(nóng)用水灌溉都會(huì)將微塑料帶入土壤中。在許多水資源匱乏的發(fā)展中國(guó)家,灌溉用水主要是地下水、地表水或凈化后的污水。Mintenig等[22]對(duì)德國(guó)西北部地下水樣本調(diào)查發(fā)現(xiàn),微塑料(聚氯乙烯、聚酰胺和聚乙烯)濃度平均值為0～7個(gè)·m?3。含有微塑料的污水雖然經(jīng)過(guò)污水處理廠(chǎng)后排放,但由于微塑料粒徑小,在處理過(guò)程中沒(méi)有起到完全攔截作用。Gies等[23]對(duì)加拿大溫哥華最大的污水處理廠(chǎng)調(diào)查顯示,污水經(jīng)處理后97%～99%的微塑料都被截留,但每年仍有300億個(gè)微塑料通過(guò)污水排放釋放到環(huán)境中。

大氣中微塑料的來(lái)源包括道路灰塵(如輪胎和油漆顆粒等)和合成紡織品中的纖維;在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,汽車(chē)輪胎對(duì)物體的磨損以及切割和研磨過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生大量的超細(xì)粉塵,由于它們很輕,一些塑料微粒以“城市塵?！钡男问綉腋≡诳諝庵胁⑼ㄟ^(guò)大氣沉降進(jìn)入土壤中[24]。Dris等[25]對(duì)法國(guó)巴黎聚集區(qū)的調(diào)查顯示,每天通過(guò)大氣沉降到該區(qū)域的微塑料達(dá)29～280個(gè)·m?2。垃圾填埋或其他表面沉積物產(chǎn)生的微纖維和微粒,也可以通過(guò)大氣沉降進(jìn)入土壤環(huán)境中[26]。

1.2 土壤中微塑料的分布特征

土壤是微塑料的重要聚集地,研究表明土壤中微塑料含量可能是海洋中的4～23倍[7]。由于土壤中微塑料的提取和分離存在較大難度,關(guān)于其分布特征和濃度的報(bào)道還比較少。為了更好地了解土壤中微塑料的污染狀況,本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外不同土壤類(lèi)型中微塑料的分布特征(表1)。由于微塑料的豐度單位不盡相同,在計(jì)數(shù)上也存在區(qū)別,因此造成不同研究之間的結(jié)果難以比較。由表1可知微塑料在不同國(guó)家地區(qū)和土壤中呈現(xiàn)不同的組成、豐度和尺寸特征,可能與多種因素有關(guān),如土壤類(lèi)型、栽培措施、耕作方式、取樣地點(diǎn)等。目前,我國(guó)土壤微塑料分布特征的研究處于初始階段,其豐度及分布區(qū)域不明確,因此亟需建立規(guī)范的測(cè)定和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 土壤中微塑料的遷移

微塑料可通過(guò)生物擾動(dòng)、耕作和水滲透等外力作用在土壤中遷移[14,45](圖1)。微塑料的形狀、類(lèi)型和表面特征是影響微塑料在土壤中遷移的重要因素[46]。土壤是一種多孔介質(zhì),具有大、中孔隙(間距為μm),這使得土壤中溶解的化學(xué)物質(zhì)或小顆粒的遷移成為可能[19],而外力(如生物擾動(dòng)和耕作活動(dòng))的存在會(huì)導(dǎo)致土壤中更大微塑料顆粒的運(yùn)移。Rillig等[47]觀(guān)察到微塑料可以黏附在蚯蚓上,認(rèn)為蚯蚓的外部附著是一種運(yùn)輸機(jī)制。Huerta等[43]也證明蚯蚓可以促進(jìn)土壤中微塑料的運(yùn)移,他們將這一機(jī)制歸因于蚯蚓的攝入/排泄。植物根系的生物擾動(dòng)作用(如根系運(yùn)動(dòng)、根系擴(kuò)張、根系吸水)對(duì)土壤中微塑料的運(yùn)移具有很大影響,當(dāng)根系分解時(shí),會(huì)產(chǎn)生近似于根系的大孔隙,這可能有利于土壤中微塑料的運(yùn)輸[48]。農(nóng)業(yè)措施如耕作會(huì)引起表層和深層土壤的交換,進(jìn)而促進(jìn)表層土壤中的微塑料向深層土壤運(yùn)移[47]。此外,干燥的氣候會(huì)導(dǎo)致土壤出現(xiàn)裂縫,為微塑料進(jìn)入深層土壤打開(kāi)了通道,干濕交替加速了微塑料向下運(yùn)移[49]。然而,這些外力對(duì)微塑料垂直運(yùn)移的輔助作用是有限的,例如傳統(tǒng)耕作只對(duì)表層土壤(20～30 cm)有影響。相比之下,淋溶對(duì)微塑料的垂直運(yùn)移具有更大的促進(jìn)作用。研究表明,小顆粒微塑料可通過(guò)淋洗沿著土壤孔隙運(yùn)移,例如,Cey等[50]的研究發(fā)現(xiàn),平均直徑為3.7 μm的微塑料可通過(guò)淋溶移動(dòng)到70 cm以上的深層土壤。

微塑料在外力作用下從土壤表層向下遷移到更深的土壤剖面中,可能會(huì)造成多種影響[19,47]:1)在土壤剖面的較深部分,由于微生物數(shù)量較少(因?yàn)檠鯕鈹U(kuò)散/有效性有限),原生微生物的分解非常緩慢,從而導(dǎo)致更多微塑料的保留;2)微塑料進(jìn)入土壤剖面也可能增加微塑料及相關(guān)化學(xué)物質(zhì)污染地下水的機(jī)會(huì);3)微塑料在土壤環(huán)境中通過(guò)分解和磨損轉(zhuǎn)化為納米塑料,可能導(dǎo)致進(jìn)一步的潛在環(huán)境威脅,包括植物對(duì)納米塑料顆粒的吸收等。

表1 不同土壤類(lèi)型中微塑料的分布特征Table 1 Distribution characteristics of microplastics in different soil types

2 土壤中微塑料的分析方法

2.1 取樣

土壤中微塑料的采集是分析過(guò)程中重要的一步。微塑料的取樣方法一般分為選擇性取樣、批量取樣和減體積取樣[51]。研究目的不同采用的方法和工具也不同。直接選擇法是指通過(guò)視覺(jué)識(shí)別從樣品中直接提取微塑料的方法,該方法適用于粒徑為1～6 mm的塑料顆粒[52]。集中采樣法是指在采樣點(diǎn)對(duì)大量樣品進(jìn)行過(guò)濾和篩選,并保留目標(biāo)組分以供進(jìn)一步分析的方法[53]。大樣本法是一種保留所有樣本的采樣方法,適用于樣品中有微塑料等肉眼難以識(shí)別的情況[54]。在采集微塑料樣品時(shí),不同國(guó)家采用的篩網(wǎng)尺寸不同。Bl?sing等[19]建議在微塑料分析過(guò)程中對(duì)小于5 mm甚至1 mm的土壤樣品進(jìn)行篩分,常用取樣工具有箱式取樣器、不銹鋼鏟等。土壤微塑料的調(diào)查一般采用正方形樣方的幾個(gè)橫斷面,結(jié)合多個(gè)樣本對(duì)目標(biāo)土壤中微塑料污染進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。

2.2 預(yù)處理

采集的土壤微塑料樣品通常含有干擾雜質(zhì),無(wú)法對(duì)其進(jìn)行直接分析,因此必須先進(jìn)行分離和提取。常用的預(yù)處理方法有過(guò)濾、篩分、密度分離、生化分離(消化)等。

2.2.1 過(guò)濾-篩分法

過(guò)濾和篩分方法的提取過(guò)程是相似的,都是利用尺寸較小的細(xì)孔截留微塑料。篩分方法是將風(fēng)干的土壤樣品通過(guò)不同孔徑的篩子去除較大的顆粒和其他雜質(zhì),絲網(wǎng)的材質(zhì)通常是不銹鋼或銅的,而在過(guò)濾方法中使用的截留材料是孔徑比篩網(wǎng)小的過(guò)濾膜。

2.2.2 密度分離法

篩分之后,采用密度分離法去除土壤中的礦物組分。密度分離法是利用樣品中微塑料與雜質(zhì)間的密度差進(jìn)行分離。具體操作方法如下:首先,將采集的土壤樣品加入飽和鹽水中,攪拌、搖勻;然后,靜置至其重新沉降,微塑料繼續(xù)保持懸浮或漂浮在溶液表面;最后,收集上部溶液中的微塑料。微塑料的密度一般為0.8～1.4 g·cm?3(如硅膠、聚氯乙烯等)[51]。使用高密度飽和鹽溶液,可以從高密度基質(zhì)如沉積物(密度約為2.65 g·cm?3)中提取微塑料顆粒。由于NaCl價(jià)格低廉,容易獲得,因此飽和NaCl溶液(密度為1.2 g·cm?3)是一種常用的密度浮選液[55]。然而,與一些高密度的聚合物如聚氯乙烯和聚酯類(lèi)相比,NaCl溶液的密度是相對(duì)較低的,因此在分離的過(guò)程中不能完全被分離出來(lái)。與飽和NaCl溶液相比,飽和ZnCl2和NaI溶液的密度是相對(duì)較高的,其范圍分別為1.4～1.6 g·cm?3和1.6～1.8 g·cm?3,能夠提高高密度塑料組分的提取效率[56]。

2.2.3 消解法

微塑料與土壤中有機(jī)物和雜質(zhì)積累在一起,而密度分離法不能去除土壤中豐富的天然有機(jī)物[57]。由于有機(jī)物可能會(huì)干擾微塑料的外觀(guān)分析,并在拉曼光譜和紅外光譜中使它們的信號(hào)失真[19]。因此,對(duì)這些干擾有機(jī)雜質(zhì)進(jìn)行充分去除對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估微塑料至關(guān)重要。在土壤樣品中,有機(jī)物的消化通常使用酸性、堿性、氧化性化學(xué)物質(zhì)(酶消解)或這些試劑的混合物[58]。研究表明,采用35%的H2O2溶液對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)消化,大部分生物有機(jī)成分都被消化了,這為進(jìn)一步的研究和分析提供了支持[55]。H2O2可以改變聚乙烯和聚丙烯的結(jié)構(gòu)形態(tài),但在70 ℃時(shí),變化極小。Liu等[37]證實(shí),H2O2氧化對(duì)去除農(nóng)業(yè)土壤中有機(jī)質(zhì)是有效的。酸消化和堿消化是分別采用酸溶液和堿溶液對(duì)樣品進(jìn)行消解處理的方法。不同的微塑料種類(lèi)有不同的耐化學(xué)性,這限制了強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的適用性。例如,聚甲醛和聚碳酸酯會(huì)與強(qiáng)堿或強(qiáng)酸發(fā)生反應(yīng)。有研究采用酸消化法對(duì)樣品進(jìn)行處理,結(jié)果表明,苯乙烯等材料的回收率為90%～98%,而尼龍纖維的回收率幾乎為零[59]。因此,對(duì)于土壤中微塑料提取方法的改進(jìn)、驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化仍是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

2.3 鑒定

土壤中微塑料提取后,可利用目檢法、光譜法和熱解分析法對(duì)其進(jìn)行鑒別和定量(表2)。

2.3.1 目檢法

目檢法是一種簡(jiǎn)單易行的微塑料分析鑒定技術(shù)[68],具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。該方法通常用于鑒定顆粒尺寸為1～5 mm的塑料微粒,一般用肉眼直接觀(guān)察或顯微鏡輔助觀(guān)察。光學(xué)顯微鏡,尤其是立體顯微鏡,是對(duì)微塑料進(jìn)行視覺(jué)分類(lèi)的重要工具。形態(tài)特征(如形狀、顏色和表面紋理)是確定可疑顆粒是否為微塑料的主要依據(jù)[58]。但這種視覺(jué)分類(lèi)存在高誤認(rèn)率的問(wèn)題,特別是對(duì)于較小和纖維狀物品[51]。除此之外,目檢法的誤差隨著塑料微粒尺寸的減小而增大[69]。因此,需要對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行表征,以進(jìn)一步驗(yàn)證目檢法的結(jié)果。

2.3.2 光譜法

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)及優(yōu)化技術(shù)[如焦平面陣列FTIR(FPA-FTIR)]和衰減全反射率-FTIR(ATR-FTIR)已成為微塑料化學(xué)鑒定使用最廣泛的分析技術(shù)[70]。這些紅外光譜可以與顯微鏡耦合,從而能夠測(cè)定更小的塑料顆粒(低至10 μm)。拉曼光譜法是微塑料檢測(cè)的另一種常用技術(shù),當(dāng)與顯微鏡耦合時(shí),能夠識(shí)別尺寸小于1 μm的微塑料。FTIR和拉曼技術(shù)在鑒定微塑料中的可靠性很大程度上取決于去除干擾有機(jī)物的有效性[19]。但無(wú)論如何,FTIR和拉曼光譜仍然是微塑料鑒定和定量的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.3 熱解分析法

熱解-氣象色譜-質(zhì)譜(Pyr-GC-MS)、熱重分析-質(zhì)譜(TGA-MS)和熱萃取解吸-氣相色譜-質(zhì)譜(TED-GC-MS)等熱分析技術(shù)已被證明可有效地識(shí)別和定量環(huán)境中的微塑料,但它們無(wú)法提供被分析顆粒的數(shù)量和形態(tài)特性信息[67,71-72]。

近年來(lái),一些新興技術(shù),如宏觀(guān)尺度近紅外(NIR)光譜法和化學(xué)計(jì)量學(xué)、近紅外可見(jiàn)光譜法和高光譜成像技術(shù)的結(jié)合,已被廣泛應(yīng)用于土壤中微塑料的快速檢測(cè)[63-64,73]。這些方法對(duì)樣品的預(yù)處理要求最低,甚至不需要,從而大大提高了檢測(cè)效率。然而,這些新興技術(shù)還有一定的缺陷。例如,結(jié)合近紅外光譜化學(xué)計(jì)量方法僅局限于評(píng)估所研究的土壤是否含有塑料,但不能提供塑料微粒的數(shù)量、形態(tài)和結(jié)構(gòu)信息[73];可見(jiàn)近紅外光譜對(duì)土壤微塑料預(yù)測(cè)精度低(10 g·kg?1),檢出限較高(15 g·kg?1),僅適用于污染熱點(diǎn)[64];而高光譜成像技術(shù)只能掃描土壤表面的微塑料(0.5～5 mm)[63]。因此,根據(jù)研究目標(biāo)選擇合適的分析技術(shù)是成功檢測(cè)微塑料的重要前提,而幾種技術(shù)的合理結(jié)合也可能有助于微塑料的綜合表征。綜上所述,亟需開(kāi)發(fā)更先進(jìn)、高效的方法以分析和定量土壤中的微塑料,特別是旨在快速評(píng)估復(fù)雜和富含有機(jī)物固體環(huán)境基質(zhì)中的微塑料。

表2 土壤微塑料(MPs)的鑒定和表征分析技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Identification methods and their advantages and disadvantages of characteristics of microplastics(MPs)in soil

續(xù)表2

3 微塑料對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響

3.1 微塑料對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

土壤是許多物理和生物過(guò)程所必需的環(huán)境,因此微塑料對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響對(duì)于評(píng)價(jià)其對(duì)土壤環(huán)境的影響具有重要意義。研究表明,當(dāng)土壤中存在大量微塑料時(shí),會(huì)影響土壤容重和保水能力,這是因?yàn)樗芰系拿芏韧ǔＰ∮谕寥乐刑烊坏V物密度,且微塑料的存在會(huì)減少灌溉水和雨水的滲入,從而對(duì)土壤結(jié)構(gòu)具有不利影響,并可能導(dǎo)致土壤處于缺氧的環(huán)境[12,74]。研究表明,殘留的地膜破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),降低了土壤的通氣性和透水性,從而阻礙了作物根系的生長(zhǎng),降低了植物的整體生產(chǎn)力[75-76]。與大塑料相比,關(guān)于微塑料與土壤結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體之間關(guān)系的報(bào)道相對(duì)較少[35]。因此,需進(jìn)一步確定微塑料對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響行為。

3.2 微塑料對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,土壤理化指標(biāo)已被用作評(píng)價(jià)農(nóng)田中塑料對(duì)土壤影響好壞的手段。一些研究表明,微塑料對(duì)土壤微生物活性、土壤有機(jī)碳和氮循環(huán)以及養(yǎng)分轉(zhuǎn)移具有負(fù)面影響,進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)田的不可持續(xù)利用和環(huán)境危害[77]。研究發(fā)現(xiàn)隨著薄膜碎片的增加,土壤微生物量碳、氮含量顯著下降[78-79]。Liu等[80]的研究表明,微塑料的添加可以提高土壤酶活性和促進(jìn)土壤可溶性養(yǎng)分積累。然而,很少有對(duì)過(guò)量微塑料污染臨界限度(即臨界點(diǎn))的界定,以觀(guān)察過(guò)量微塑料產(chǎn)生的負(fù)面影響,這增加了預(yù)測(cè)微塑料的載荷率和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)微塑料承載能力的難度。Ramos等[13]發(fā)現(xiàn)塑料殘留物在土壤中能夠積累農(nóng)藥,導(dǎo)致土壤棲息地的變化。但必須要確定的是以上土壤理化性質(zhì)的改變到底是由殘留的微塑料本身、其固有的主要污染物負(fù)荷(如增塑劑),還是次要污染物負(fù)荷(如農(nóng)藥等)3種因素中的哪種引起的。此外,有必要區(qū)分大塑料顆粒和微塑料組分潛在的毒性作用[81]。另一個(gè)主要問(wèn)題是,這些結(jié)果沒(méi)有放在更廣泛的背景下,例如,很難評(píng)估由微塑料引起的土壤質(zhì)量變化與由添加到土壤中的其他物料(如生物炭、糞肥和污泥等)導(dǎo)致的土壤質(zhì)量變化的區(qū)別。

3.3 微塑料對(duì)土壤植物的影響

植物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其生長(zhǎng)不可避免地受土壤環(huán)境的影響。土壤中的微塑料不僅能降低土壤微生物活性、微生物量和功能多樣性,還會(huì)影響土壤中植物營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)過(guò)程,從而間接影響植物種子發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)。目前,只有少數(shù)研究報(bào)道了微塑料對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。例如,土壤中添加1%的聚乙烯和生物可降解塑料對(duì)小麥(Triticum aeasitvum)籽粒產(chǎn)量具有明顯的抑制作用[82];將水芹(Oenanthe javanica)種子培養(yǎng)在添加有不同濃度(103～105個(gè)·mL?1)和不同粒徑(50 nm、500 nm、4800 nm)微塑料的營(yíng)養(yǎng)液中,種子發(fā)芽率明顯受到抑制,且隨著微塑料粒徑的增加,影響增強(qiáng)[83]。對(duì)煙草(Nicotiana tabacum)細(xì)胞的培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn),納米級(jí)微珠可通過(guò)細(xì)胞內(nèi)吞作用進(jìn)入煙草細(xì)胞,表明小粒徑塑料有可能通過(guò)根際吸收進(jìn)入植物體內(nèi),而長(zhǎng)期存留在土壤中的微塑料很有可能形成納米塑料,遷移并積聚在植物體內(nèi)進(jìn)入食物鏈,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康造成威脅[84]。已有研究表明微塑料可以被作物吸收并積累。例如,李連禎等[85]報(bào)道了聚苯乙烯微塑料(粒徑0.2 μm)可以被蔬菜根部吸收和富集,并從根部遷移到嫩芽,但從土壤運(yùn)輸?shù)街参锟墒巢糠值奈⑺芰吓c從大氣沉積或污水灌溉直接沉積到植株嫩芽上的微塑料之間的差異尚不清楚。目前主要采用熒光微珠技術(shù)對(duì)植物體內(nèi)的塑料微粒進(jìn)行檢測(cè),鑒定出的微塑料尺寸有納米級(jí)和微米級(jí),它們可以穿過(guò)植物的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁屏障,但在植株組織中很難區(qū)分不同類(lèi)型的微塑料。

3.4 微塑料對(duì)土壤動(dòng)物的影響

微塑料尺寸微小,能夠被土壤動(dòng)物攝食并對(duì)其產(chǎn)生一定的影響,在土壤食物鏈中累積,從而影響各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的土壤動(dòng)物[86]。目前對(duì)土壤動(dòng)物的研究較少且難度較大,主要是因?yàn)橥寥绖?dòng)物個(gè)體大小和生活方式不同、體系繁雜,在土壤中分布不均勻。根據(jù)當(dāng)前發(fā)表的文獻(xiàn),研究的土壤動(dòng)物主要有蚯蚓、線(xiàn)蟲(chóng)、彈尾目昆蟲(chóng)和等足類(lèi)等。Lwanga等[87]研究發(fā)現(xiàn),蚯蚓在土壤中攝入微塑料之后,微塑料在體內(nèi)結(jié)塊,造成蚯蚓腸道損傷,影響其進(jìn)食和排泄,進(jìn)而影響蚯蚓的生長(zhǎng)和繁殖率。微塑料還可被線(xiàn)蟲(chóng)攝取,導(dǎo)致線(xiàn)蟲(chóng)氧化損傷和腸道損傷,引起線(xiàn)蟲(chóng)氧化應(yīng)激基因gst-4的增加和腸道鈣水平的降低,使得線(xiàn)蟲(chóng)的成活率、體長(zhǎng)和繁殖能力均顯著降低[88]。Zhu等[89]研究表明,微塑料改變了彈尾蟲(chóng)腸道中微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性。Kokalj等[90]將等足類(lèi)動(dòng)物暴露在由聚乙烯微塑料制成的塑料袋薄膜中14 d,發(fā)現(xiàn)在給定的暴露條件下,微塑料對(duì)等足類(lèi)動(dòng)物的攝食率、排便率、存活率和消化腺能量?jī)?chǔ)備沒(méi)有影響,認(rèn)為應(yīng)進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的暴露或接觸其他類(lèi)型的微塑料,以進(jìn)一步了解微塑料對(duì)等足類(lèi)動(dòng)物的潛在危害。由于微塑料檢測(cè)手段有限,這對(duì)研究微塑料對(duì)土壤動(dòng)物的影響增加了難度,而且微塑料本身吸附的有毒有害物質(zhì)是否會(huì)對(duì)土壤動(dòng)物產(chǎn)生毒害,還有待進(jìn)一步的研究。

3.5 微塑料對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物(如細(xì)菌和真菌)會(huì)因接觸大量微塑料而受到影響[91-92]。微塑料對(duì)土壤微生物的影響包括對(duì)細(xì)菌運(yùn)輸、抗生素抗性基因(ARGs)傳播及整體微生物代謝的影響。塑料顆粒對(duì)微生物活性的影響有一定的臨界值。例如,添加0.05%～0.4%的聚丙烯酸、0.05%～0.4%的聚酯和1 mg·kg?1的聚苯乙烯顆粒對(duì)微生物活性產(chǎn)生了負(fù)面影響[93],而添加7%和28%的聚丙烯顆粒則對(duì)其產(chǎn)生了正面影響[80]。在這些研究中,許多參數(shù)包括微塑料的形狀、類(lèi)型、濃度和尺寸是可變的,因此,很難基于各個(gè)變量來(lái)概括微塑料對(duì)土壤微生物活動(dòng)的毒性效應(yīng)。有關(guān)微塑料對(duì)微生物轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝、基因交換的影響有少數(shù)報(bào)道。Sun等[94]研究表明,微塑料(聚烯烴薄膜)的存在抑制了土壤抗生素和細(xì)菌/吞噬體抗性基因的擴(kuò)散,還發(fā)現(xiàn)微塑料與系統(tǒng)發(fā)育無(wú)關(guān)的微生物之間的基因交換有關(guān),因?yàn)樗鼈円肓祟~外的基因交換表面和其他代謝產(chǎn)物;De Souza Machado等[74]研究了多種微塑料(聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯類(lèi))對(duì)土壤微生物活性的影響,發(fā)現(xiàn)聚酰胺和聚乙烯可提高一般微生物的代謝活動(dòng),而聚苯乙烯和聚酯類(lèi)則降低了其代謝活動(dòng)。

研究表明,土壤特征和養(yǎng)分與土壤微生物活動(dòng)密切相關(guān)[26,95]。土壤物理環(huán)境的變化對(duì)微生物進(jìn)化的影響與非微纖維結(jié)構(gòu)的土壤不同,特別是土壤的聚集性(已被發(fā)現(xiàn)可以整合線(xiàn)性微纖維)[74]。與無(wú)菌處理相比,活菌處理顯著增加了新生團(tuán)聚體的形成,而在微纖維處理下,這種積極作用被中和了[96]。此外,微塑料引起的土壤孔隙度和土壤濕度的變化會(huì)改變土壤中氧的流動(dòng),從而改變厭氧和好氧微生物的相對(duì)分布[97]。Judy等[98]發(fā)現(xiàn)添加微塑料顯著干擾了微生物群落結(jié)構(gòu),底物誘導(dǎo)的呼吸率(SIR)顯著降低,表明微塑料引起了土壤微生物功能的變化。可溶性有機(jī)物作為微生物的基質(zhì)和重要碳源,與水體富營(yíng)養(yǎng)化和溫室效應(yīng)密切相關(guān)[99],而微塑料引起的可溶性有機(jī)物的變化可能會(huì)影響土壤功能和微生物群落。土壤酶活性可以反映微生物的活性和吸收底物的有效性,因此,土壤酶的變化可以表明微塑料對(duì)土壤微生物的潛在影響。一般情況下,微塑料會(huì)對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生一系列的影響,對(duì)土壤微生物施加一定的選擇壓力,從而導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性及進(jìn)化結(jié)果的變化[100]。

4 土壤微塑料的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

4.1 生物附著

微塑料的表面可以附著藻類(lèi)、病毒、細(xì)菌和非生物物質(zhì)[101]。微生物常以生物膜的形式存在,表面附著有微生物的微塑料顆?？梢匝杆龠M(jìn)入食物鏈,對(duì)高等生物造成危害[102]。塑料顆粒及其外表面的特性使其非常適合吸附無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物和有機(jī)物等污染性物質(zhì),這些為附著的微生物提供了生長(zhǎng)基礎(chǔ)[103]。微塑料在環(huán)境中難以降解,其表面附著的微生物組成復(fù)雜;而這些微生物受季節(jié)和地理位置等因素的影響,因?yàn)檫@些因素會(huì)影響附著在塑料表面的微生物所需的營(yíng)養(yǎng)條件。利用掃描電鏡和高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)微塑料表面附著的微生物群落進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)其由自養(yǎng)和共生微生物組成。

除了生物材料外,微塑料表面還可附著非生物污染物,包括重金屬和有機(jī)污染物等。相關(guān)研究表明,塑料顆粒的表面結(jié)構(gòu)及其比表面積影響有機(jī)污染物的附著能力,聚丙烯和聚乙烯對(duì)多環(huán)芳烴和多氯聯(lián)苯的吸附能力高于聚對(duì)苯二甲酸二醇酯和聚氯乙烯[104]。污染物(重金屬和有機(jī)污染物等)的黏附使微塑料變成了污染源,微塑料在外力(動(dòng)力、氣流等)的作用下可以長(zhǎng)距離遷移,而附著在微塑料表面的污染物可以利用相同的途徑傳播,從而影響全球污染物在環(huán)境中的分布[105]。此外,微塑料在遷移過(guò)程中還可將附著在表面的微生物輸送到不同的生物地理區(qū)域,這增加了生物入侵的風(fēng)險(xiǎn)[106]。

4.2 毒理作用

微塑料除了對(duì)環(huán)境造成物理污染外,還會(huì)造成化學(xué)污染[107]。許多研究表明,微塑料具有生態(tài)毒理作用。塑料生產(chǎn)中為了提高其耐熱性和耐腐蝕性加入了各種添加劑,其中增塑劑可軟化塑料和改善其他特性[108]。這些添加劑不會(huì)永久附著在塑料聚合物上,隨著時(shí)間的推移,它們會(huì)從微塑料釋放到環(huán)境中,而這種釋放在比表面積較大的情況下更有效,且更適用于具有較小尺寸的塑料顆粒。但大多數(shù)的添加劑都是有劇毒的,例如為了提高塑料的耐熱性而添加的多溴二苯醚,作為抗氧化劑添加的壬基酚[7],當(dāng)這些化合物進(jìn)入環(huán)境中,它們會(huì)對(duì)環(huán)境及其生物群落構(gòu)成嚴(yán)重威脅。不同種類(lèi)和功能的微塑料含有不同的添加劑,可以向環(huán)境中釋放不同的增塑劑,進(jìn)而對(duì)生物體產(chǎn)生不同的毒性作用[109-110]。在使用塑料薄膜的農(nóng)田土壤中塑料添加劑的濃度較高。這一發(fā)現(xiàn)表明塑料產(chǎn)品可以在土壤環(huán)境中釋放增塑劑,不僅對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生毒害作用,而且對(duì)植物也有劇毒作用,進(jìn)而對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅[111-112]。

微塑料污染對(duì)人體健康的影響缺乏深入的研究,相關(guān)工作仍處于起步階段。Smith等[113]的最新研究表明,在人類(lèi)糞便中檢測(cè)出9種微塑料,粒徑范圍為50～500 μm。粒徑小于150 μm的聚氯乙烯和聚苯乙烯微?？赏ㄟ^(guò)人類(lèi)腸道移動(dòng)到循環(huán)系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)中,進(jìn)而對(duì)人體健康造成威脅。人體可以通過(guò)呼吸道吸入、食物攝入和皮膚接觸而暴露在微塑料環(huán)境中。目前,少有相關(guān)研究證明微塑料可以通過(guò)皮膚接觸直接傷害人體,但可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體[114]。研究表明,人類(lèi)食用體內(nèi)含有微塑料的魚(yú)類(lèi)會(huì)威脅自身健康,如引起發(fā)炎、細(xì)胞壞死等[115]。攝入表面攜帶污染物微塑料的食物也會(huì)在生物體內(nèi)富集,進(jìn)一步通過(guò)食物鏈傳播和積累,從而對(duì)食物鏈頂端的物種(包括人類(lèi))構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

4.3 復(fù)合污染

微塑料除了釋放內(nèi)源性有毒化學(xué)物質(zhì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響外,吸附在微塑料顆粒表面的污染物還可以進(jìn)一步導(dǎo)致整體復(fù)雜的毒理效應(yīng)。微塑料是疏水性的,較大的比表面積使其能夠快速吸附疏水性、持久性有機(jī)污染物,如多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、DDT、抗生素等,這些污染物具有持久性和極強(qiáng)的生物毒性,對(duì)生物構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[116]。影響微塑料吸附疏水性污染物能力的因素主要包括塑料類(lèi)型、顆粒大小和風(fēng)化程度。總之,微塑料可以吸附污染物,并為污染物提供了運(yùn)輸?shù)氖侄?這種現(xiàn)象通過(guò)食物鏈和食物網(wǎng)絡(luò)而擴(kuò)大,并通過(guò)分子和細(xì)胞途徑導(dǎo)致毒理學(xué)效應(yīng)。微塑料顆粒的生態(tài)毒性不僅歸因于塑料本身以及添加劑,還歸因于對(duì)環(huán)境污染物的吸收和富集,最終影響到土壤生態(tài)系統(tǒng)[117]。

5 研究對(duì)策及展望

5.1 研究對(duì)策

針對(duì)微塑料污染問(wèn)題,可從以下3個(gè)方面考慮對(duì)策:一是加強(qiáng)微塑料污染防控技術(shù)的研發(fā);二是利用法律手段和宣傳教育,限制塑料的生產(chǎn)和使用;三是加強(qiáng)區(qū)域合作,共同應(yīng)對(duì)微塑料污染問(wèn)題。

5.1.1 技術(shù)支持

通過(guò)生物去除微塑料的研究已引起了廣泛的關(guān)注,環(huán)境中一些微生物可以有效分解微塑料[118]。一些研究表明,從黃粉蟲(chóng)和臘蟲(chóng)體內(nèi)分離出來(lái)的細(xì)菌能夠有效降解聚乙烯和聚苯乙烯[119]。生物可降解塑料的研究和開(kāi)發(fā)也是目前的一個(gè)熱點(diǎn),可降解塑料在丟棄后可通過(guò)環(huán)境微生物對(duì)其進(jìn)行降解,以實(shí)現(xiàn)微塑料的無(wú)害化、減量化處理,是目前不可降解塑料的有效替代品,也是預(yù)防和控制微塑料污染的有效手段。但由于降解效率、生產(chǎn)成本等因素,生物降解塑料無(wú)法在短期內(nèi)完全替代普通塑料,因此還需加大研發(fā)投入,開(kāi)發(fā)性能更好、應(yīng)用范圍更廣的產(chǎn)品。

5.1.2 完善策略

減少微塑料污染的關(guān)鍵措施是在源頭上控制微塑料?？赏ㄟ^(guò)制定相關(guān)法律法規(guī)在源頭上控制微塑料,盡可能地減少由于產(chǎn)品生產(chǎn)、使用和銷(xiāo)售導(dǎo)致的微塑料污染。例如,2015年美國(guó)頒布了《無(wú)微珠水法》,該法主要是在美國(guó)禁止生產(chǎn)和銷(xiāo)售帶有塑料微珠的清潔化妝品[17]。此外,應(yīng)加強(qiáng)公眾對(duì)微塑料污染危害的認(rèn)知,如減少塑料產(chǎn)品的使用和丟棄,加強(qiáng)塑料產(chǎn)品的回收利用,對(duì)廢舊的塑料產(chǎn)品進(jìn)行集中處理以減少向環(huán)境中的輸入量,形成塑料產(chǎn)品使用和再利用的良性循環(huán),提高公眾的環(huán)保意識(shí)。

5.1.3 加強(qiáng)合作

微塑料污染是一個(gè)全球性的環(huán)境問(wèn)題,且造成的危害和影響是全球性的,而非局限于某個(gè)地區(qū)。因此,微塑料污染的預(yù)防和管控也需要世界各國(guó)的合作和共同應(yīng)對(duì)。一方面,提倡與世界各國(guó)共同參與微塑料的污染治理,并根據(jù)不同國(guó)家的國(guó)情進(jìn)行合理的研究和實(shí)踐;另一方面,鼓勵(lì)積極參加國(guó)際會(huì)議,加強(qiáng)國(guó)際的交流與合作,學(xué)習(xí)國(guó)際上其他國(guó)家對(duì)于微塑料污染控制的研究、處理方法和政策指南。此外,微塑料污染是一個(gè)涉及多個(gè)領(lǐng)域跨學(xué)科的問(wèn)題,要充分發(fā)揮各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì),相互配合,制定科學(xué)有效的目標(biāo)和治理措施,共同預(yù)防治理微塑料的污染問(wèn)題。

5.2 研究展望

微塑料具有土壤環(huán)境中分布的復(fù)雜性和廣泛性及本身的多樣性,針對(duì)微塑料仍存在許多問(wèn)題亟待解決:

1)規(guī)范土壤微塑料的采集、分析測(cè)定和表示方法。微塑料樣品的采集、分析和鑒定是研究微塑料的第一步,但目前對(duì)微塑料的取樣、分類(lèi)和鑒定方法尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在微塑料研究過(guò)程中采用的方法不同,會(huì)大大降低不同研究之間的可比性。因此,在今后的研究中應(yīng)根據(jù)微塑料的形狀、粒徑和化學(xué)成分建立統(tǒng)一的樣品采集和分析鑒定方法。制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),這對(duì)于在全球范圍內(nèi)定量研究微塑料污染的分布和特征具有重要作用。

2)當(dāng)前對(duì)于微塑料毒性的研究基本都是基于實(shí)驗(yàn)室條件在細(xì)胞、組織和器官水平上進(jìn)行,存在測(cè)試暴露時(shí)間短且劑量遠(yuǎn)高于自然環(huán)境濃度的問(wèn)題。由于微塑料在食物鏈中轉(zhuǎn)移作用的研究很少,因此無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估其對(duì)人體健康的危害。未來(lái)研究應(yīng)結(jié)合實(shí)際環(huán)境特征,建立從細(xì)胞到種群的不同層次的評(píng)估機(jī)制,為人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)環(huán)境評(píng)估提供基礎(chǔ)和參考。

3)加強(qiáng)微塑料復(fù)合污染效應(yīng)的研究。微塑料在遷移過(guò)程中會(huì)吸附土壤中的有毒有害物質(zhì),而微塑料攜帶的有毒污染物與微塑料結(jié)合和釋放的機(jī)理尚不清楚。應(yīng)對(duì)微塑料表面吸附的污染物特性進(jìn)行研究,闡明微塑料表面附著的污染物的環(huán)境行為。此外,對(duì)于微塑料添加劑與表面附著的污染物之間是否存在聯(lián)合效應(yīng),還有待進(jìn)一步探討。

4)加強(qiáng)微塑料污染的治理技術(shù)及相關(guān)法律法規(guī)的研究。盡管已經(jīng)出臺(tái)了一些關(guān)于微塑料污染治理的法律法規(guī),但相關(guān)規(guī)定過(guò)于抽象,不利于在實(shí)際中實(shí)施。應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的關(guān)于微塑料的法律法規(guī)進(jìn)行修訂和補(bǔ)充,使得針對(duì)微塑料污染問(wèn)題的相關(guān)控制措施更加明確和有針對(duì)性。同時(shí),還應(yīng)加強(qiáng)微塑料清理控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究。