陳滿英, 喻喬, 張?zhí)?*

土壤環(huán)境中微塑料污染及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究進(jìn)展

陳滿英1, 喻喬2, 張?zhí)?,*

1. 廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院, 廣州 510330 2. 華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院, 廣州 510006

作為一種新興的污染物, 微塑料在水和土壤生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在, 并成為了近年來環(huán)境污染研究的熱點之一。目前研究主要集中在海洋和淡水生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的檢測、賦存、表征和毒理學(xué)等方面, 但與水生態(tài)系統(tǒng)相比, 對土壤生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的生態(tài)效應(yīng)的了解還很有限。為此, 論文綜述了土壤環(huán)境中微塑料的來源、豐度及分布特征、微塑料對土壤結(jié)構(gòu)和生物的負(fù)面影響、微塑料的遷移機(jī)制以及食物鏈中的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移等方面的研究進(jìn)展, 以揭示土壤環(huán)境中微塑料造成的潛在生態(tài)和人類健康風(fēng)險, 最后提出未來微塑料污染及其土壤生態(tài)毒性的研究方向。

土壤, 微塑料, 污染, 遷移轉(zhuǎn)化, 生態(tài)毒理

0 前言

作為一種化學(xué)穩(wěn)定性高、可塑性強的合成高分子材料, 塑料被廣泛應(yīng)用于建筑、紡織、包裝、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電子制造等行業(yè)[1]。據(jù)統(tǒng)計, 2017年全球塑料產(chǎn)量達(dá)到了3.48億噸, 塑料的高消耗同時也伴隨著大量的塑料垃圾進(jìn)入環(huán)境中, 然而只有小部分(6%—26%)的塑料廢物被回收[2]。有學(xué)者推論, 如果延續(xù)當(dāng)前各國的生產(chǎn)和廢物管理制度而不做有效限制措施, 2050年大約會有120億噸的塑料垃圾將積累在垃圾填埋場或自然環(huán)境中[3]。進(jìn)入環(huán)境中的塑料的尺寸大小不同, 塑料在環(huán)境中降解緩慢, 會在機(jī)械、生物降解、光降解等作用下分解成較小的碎片。通常, 粒徑< 5 mm 的小尺寸碎片稱為微塑料[4], 但近年來也有學(xué)者提出將粒徑1—1000 μm的塑料定義為微塑料[5]。

越來越多的證據(jù)表明海洋[6, 7]、湖泊[8]、河流[9]、土壤[10]、大氣[11]、高山冰川[12]甚至南極[13]、北極水域[14]均存在微塑料污染。有研究表明, 微塑料可能對整個生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅[15-17]。比如, 微塑料被認(rèn)為是各種化學(xué)物質(zhì)的載體, 如疏水性有機(jī)污染物、藥物及個人護(hù)理產(chǎn)品[18-20]。由于其大小類似于藻類或礦物顆粒, 微塑料很容易被不同營養(yǎng)水平的生物攝取, 并沿著食物網(wǎng)積累[21-24]。一旦微塑料在生物體中積累, 就有可能引起許多毒理反應(yīng), 包括致死、攝食活性降低、生長發(fā)育受到抑制、內(nèi)分泌紊亂、能量代謝紊亂、氧化應(yīng)激、免疫和神經(jīng)傳遞功能障礙等, 甚至遺傳毒性[25]。Kieran 等人的一項研究指出, 每人每年可攝入39000—52000個微塑料顆粒[26]。因此, 微塑料污染日益受到重視, 成為生態(tài)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。

由于檢測方法的局限性, 當(dāng)前對微塑料的研究主要集中在海洋、湖泊河流等水生生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域。與海洋相比, 陸地環(huán)境是微塑料更重要的“匯”。據(jù)估計, 每年釋放到陸地上的塑料是釋放到海洋中的4—23倍[27]。最近的一些研究表明, 土壤生物(如蚯蚓、跳蟲等)攝入微塑料顆粒會對其生命健康造成一定的影響[23, 28]。盡管微塑料對土壤環(huán)境潛在影響機(jī)制存在很大的不確定性, 但初步的研究數(shù)據(jù)證實, 土壤中微塑料的存在可能會影響土壤性質(zhì)、植物性狀和微生物活動[17, 29, 30]。然而, 關(guān)于微塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究仍然十分有限。為了更好地開展土壤微塑料污染研究, 有必要了解當(dāng)前的研究現(xiàn)狀, 以指導(dǎo)今后對這一問題的研究。本文旨在整理目前有關(guān)微塑料在土壤環(huán)境中的存在、來源、遷移和生態(tài)毒理效應(yīng)等方面的研究成果, 在這些研究的基礎(chǔ)上, 指出了目前研究的不足, 并對未來的研究提出了幾點看法。

1 土壤環(huán)境中微塑料的污染特征

1.1 來源

土壤環(huán)境中微塑料主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中地膜的大規(guī)模應(yīng)用、城市污水廠污泥及固廢堆肥的使用、塑料垃圾丟棄、大氣沉降、雨水徑流及灌溉等途徑。

據(jù)中國統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù), 2018年中國農(nóng)業(yè)塑料薄膜年用量達(dá)246.5萬噸, 對比1999年, 使用量增加了95.8%。大規(guī)模塑料薄膜的使用以及廢物管理不善, 導(dǎo)致塑料殘存于土壤環(huán)境中。Zhou等人的研究表明覆蓋地膜的土壤微塑料豐度顯著高于不覆蓋土壤[31], 此外Huang等人證實覆蓋地膜年份較多的土壤的微塑料豐度也高于覆蓋年份較低的土壤, 傅里葉變換紅外光譜分析表明微塑料的成分與地膜一致, 說明微塑料顆粒來源于地膜[32], 這些發(fā)現(xiàn)證實了地膜覆蓋是土壤環(huán)境中微塑料污染的重要來源。

生活污水普遍被認(rèn)為是微塑料進(jìn)入環(huán)境中的一個重要來源, 一項研究證實二級和三級污水處理設(shè)施的污水排放對海洋和地表水環(huán)境中的微塑料負(fù)荷的貢獻(xiàn)可能微乎其微, 大部分微塑料會通過氣浮和污泥沉降從水體中去除[33], 這就意味著污水污泥中可能含有大量微塑料。事實上, Li等人通過對中國11個省28個污水處理廠79個污泥樣品的分析發(fā)現(xiàn), 污泥中微塑料豐度可達(dá)1.60×103—56.4×103個·kg-1[34], 所以污水污泥直接或間接地應(yīng)用于農(nóng)業(yè), 可以將大量的微塑料引入農(nóng)田土壤。Berg等人對西班牙東部城市瓦倫西亞附近農(nóng)田土壤的研究表明, 沒有施用污泥的田地微塑料平均有2030個·kg-1, 污泥施用的土壤微塑料平均有5190個·kg-1, 隨著污水污泥施用量的增加, 土壤中的微塑料豐度也逐漸增加[35]。Corradini等人的研究也證實了污泥施用對土壤微塑料豐度的貢獻(xiàn), 隨著時間推移, 土壤微塑料豐度會進(jìn)一步增加[136]。最近的一項研究發(fā)現(xiàn), 土壤中微塑料的豐度與污泥基肥的施用量密切相關(guān)。施用污泥堆肥30 t·hm-2和15 t·hm-2后, 土壤微塑料豐度分別為545.9個·kg-1和87.6個·kg-1, 顯著高于未施用堆肥的區(qū)域 (5.0個·kg-1)[37]。同樣, 也有研究表明固廢堆肥應(yīng)用也是土壤中微塑料的來源之一[38], 不同來源固廢(基質(zhì)不同)發(fā)酵或堆肥的產(chǎn)品中所含的微塑料豐度不同。

塑料垃圾的丟棄是微塑料的直接或間接來源。Kawecki等人利用概率物質(zhì)流分析對從7種塑料生產(chǎn)和使用到報廢的流程進(jìn)行完整分析, 建模結(jié)果揭示塑料進(jìn)入環(huán)境的主要途徑是垃圾丟棄, 建筑、農(nóng)業(yè)以及消費活動過程垃圾的丟棄導(dǎo)致微塑料排放到土壤中, 進(jìn)入土壤的塑料質(zhì)量通量是進(jìn)入水體的40倍[39]。Scheurer等人對瑞士自然保護(hù)區(qū)的29個泛洪區(qū)土壤展開研究, 發(fā)現(xiàn)90%的地區(qū)土壤含有微塑料, 微塑料豐度與大塊塑料(5 mm—2.5 cm)密切相關(guān), 表明塑料垃圾是土壤微塑料的來源之一[10]。

大氣沉降是土壤微塑料的來源之一。Dris等人發(fā)現(xiàn)巴黎大氣降塵微塑料豐度為2—355個·m-3·d-1[40], Li等人的研究表明微纖維塑料在距地面1.5 m處的濃度約為16.7×10-3個·mL-1, 在距地面約18 m處的濃度約為14.1×10-3個·mL-1, 同時說明這些微塑料主要來源于地表, 并被重新懸浮[11]。另一項研究表明, 陸地微塑料也可以通過大氣環(huán)流輸送到偏遠(yuǎn)地區(qū), 然后受到大氣干濕沉降的影響[41]。這些研究都表明了大氣中微塑料源自陸地而又遷移至陸地環(huán)境的可能性。此外與車輛運輸相關(guān)的塑料排放, 包括輪胎磨損、剎車、道路標(biāo)記等[42], 是環(huán)境中微塑料的另一個主要來源, 可通過雨水徑流、大氣降塵進(jìn)入土壤中。

雨水徑流是陸地向水體環(huán)境輸入微塑料的重要途徑[43, 44], 在流經(jīng)土壤過程中也會對土壤微塑料豐度產(chǎn)生影響。當(dāng)灌溉用水中含有微塑料, 灌溉也是土壤中微塑料的來源。有研究證實了灌溉用水存在微塑料, 平均豐度為3.9—17個·L-1 [31]。此外, 必須重視垃圾填埋廠對土壤微塑料的貢獻(xiàn), 垃圾填埋場中微塑料的產(chǎn)生、積累和釋放是一個長期的過程, 是土壤微塑料的潛在來源, 一些研究表明垃圾滲濾液中含有大量微塑料顆粒[45, 46]。

1.2 土壤環(huán)境中微塑料富集及分布特征

雖然關(guān)于土壤中微塑料賦存和分布的現(xiàn)場監(jiān)測項目尚未廣泛開展, 但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)表明土壤中存在微塑料污染。微塑料存在于不同類型土壤中, 如泛洪平原[10]、農(nóng)田[31]、種植園[37]、菜地[47]、沿海土壤[48]、紅樹林土壤[49]、風(fēng)蝕區(qū)[50]等。如表1所示, 現(xiàn)有農(nóng)田土壤微塑料的研究區(qū)域主要分布在中國。在農(nóng)田土壤, 微塑料聚合物的主要類型是聚乙烯、聚丙烯, 這與農(nóng)業(yè)所用地膜相關(guān), 且不同地區(qū)微塑料土壤豐度不同。如Sarah等人的研究, 農(nóng)田微塑料塑料豐度為(0.34±0.36)個·kg-1[51], 而中國新疆農(nóng)田高達(dá)(1075.6±346.8)個·kg-1[32], 這明顯差異的主要原因是Sarah等人所研究的農(nóng)田未使用有機(jī)肥和農(nóng)用塑料薄膜, 且檢測選擇的粒徑是2—5 mm, 而眾多研究中大部分微塑料粒徑小于0.50 mm, 如Ding等人研究中粒徑為0—0.49 mm的微塑料占了81%[52]。在Liu等人研究中, 表層微塑料豐度高于深層微塑料豐度, 粒徑較大的微塑料更容易出現(xiàn)在表層[53]。表層土壤有可能比深層土壤含有更高或更低濃度的微塑料, 這主要取決于塑料滲透到深層土壤或由于地表徑流而遷移的難易程度。農(nóng)田土壤微塑料提取及檢測方法主要為密度浮選、氧化消化、體視鏡及傅里葉變換紅外光譜檢測, 不同研究具體所采用的浮選溶液、檢測方法有差異, 其中低密度的浮選溶液(如飽和NaCl溶液、蒸餾水)無法懸浮PVC、PET等密度較大的微塑料, 進(jìn)而會低估微塑料豐度。因此, 微塑料提取及檢測方法的不同, 會導(dǎo)致微塑料豐度的差異[54]。施用污泥用量或次數(shù)越多, 覆地膜年份越長的農(nóng)田, 微塑料豐度越高, 這表明微塑料會通過農(nóng)業(yè)活動積累在農(nóng)田土壤中。

表1 不同地區(qū)農(nóng)田土壤中微塑料分布特征

注: ——表示無數(shù)據(jù); μ-FTIR. 顯微傅里葉變換紅外光譜; ATR-FTIR. 傅里葉變換衰減全反射紅外光譜, PP. 聚丙烯; PE. 聚乙烯; PS. 聚苯乙烯; PVC. 聚氯乙烯。

其他類型的土壤, 如紅樹林土壤的微塑料豐度為(31—28630個·kg-1, 越靠近居民點微塑料豐度越高[49]。武漢菜地的微塑料豐度在(320—12560)個·kg-1之間, 郊區(qū)道路附近的微塑料污染是居民區(qū)的1.8倍, 粒徑小于0.2 mm的微塑料占總數(shù)的70%, 微塑料的主要形狀是纖維和微珠[47]。土壤微塑料研究中發(fā)現(xiàn)的微塑料種類主要包括PE、PP、PVC、PS、PET(聚對苯二甲酸)等, 主要與食品包裝、地膜等塑料使用相關(guān)?？傮w而言, 土壤環(huán)境微塑料污染與人類活動密切相關(guān), 在人類活動愈頻繁的地區(qū)豐度越高。由于塑料本身具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性, 很難降解, 在污泥施用、地膜規(guī)模使用的農(nóng)業(yè)地區(qū)微塑料呈現(xiàn)逐年積累性。另外由于土壤結(jié)構(gòu)及微塑料本身形狀大小的影響, 較大的微塑料往往被截留在土壤表層, 而越小的微塑料可能在徑流、動物(如蚯蚓)活動、植物生長的作用下向土壤深層遷移。

2 微塑料對土壤環(huán)境的影響

2.1 微塑料對土壤物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

現(xiàn)有對微塑料影響土壤物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究比較有限, 仍處于起步階段。微塑料在土壤環(huán)境中的不斷積累, 會直接影響到土壤的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)。Machado等人研究表明微塑料能夠影響土壤結(jié)構(gòu)[58], 該研究是將壤質(zhì)沙土暴露在四種常見微塑料類型(聚丙烯纖維、尼龍微珠、聚酯纖維和聚乙烯碎片)的與環(huán)境相關(guān)的濃度中5周, 他們的結(jié)果顯示微塑料影響了土壤容重、持水能力以及微生物活性與水穩(wěn)性團(tuán)聚體之間的功能關(guān)系, 不同類型的微塑料對這些指標(biāo)表現(xiàn)出不同的影響。Zhang等人的研究則顯示不同的結(jié)果, 聚酯纖維微塑料對土壤容重?zé)o明顯影響, 而顯著增加實驗土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量, 另外在野外田間實驗并無影響[30]。在這兩項研究中, 結(jié)果不同可能與土壤有機(jī)質(zhì)、微塑料大小、溫度相關(guān), 需注意的是Zhang等人的研究中干濕循環(huán)可能是影響水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定性的主要因素。此外還應(yīng)重視野外田間實驗的研究, 審視實驗土壤與天然土壤之間的聯(lián)系與異同, 進(jìn)一步得出微塑料對土壤環(huán)境的影響。BOOTs等人的一項研究顯示, HDPE(高密度聚乙烯)微塑料會導(dǎo)致土壤pH降低, 此外研究還表明微塑料改變了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的大小分布, 影響土壤穩(wěn)定性[59]。Wan等人探究了地膜微塑料對兩種粘性土水分蒸發(fā)和干裂的影響, 土壤中塑料的存在為水分子運動創(chuàng)造了通道, 顯著提高了土壤水分蒸發(fā)速率[60]。微塑料等物理污染顆粒對礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)既有包絡(luò)作用, 又有成核作用, 堵塞了土壤中部分孔隙, 可能會影響土壤滲水功能[61]。由于微塑料的吸附能力低于土壤對污染物的吸附能力, 土壤中微塑料的存在可能會降低天然土壤的吸附能力, 從而增強有機(jī)污染物[62]和Cd[63]的移動性, 進(jìn)而增加污染物對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險。

2.2 微塑料對土壤生物的影響

雖在近些年開展了微塑料對土壤生物毒理研究, 但仍遠(yuǎn)落后于對水體生物的研究[64]。在微塑料單獨作用于生物體的研究中, Lwanga等人研究了不同比例微塑料添加量對蚯蚓的影響, 高比例微塑料添加中的蚯蚓存活率和生長率明顯低于添加了7%微塑料和無添加的土壤中的蚯蚓[23]。在聚乙烯微塑料濃度梯度為0、62.5、125、250、500、1000 mg·kg-1的一項研究中, 微塑料對赤子愛勝蚓的存活率、繁殖、生長并無顯著影響, 但腸道組織病理學(xué)分析顯示微塑料導(dǎo)致了腸道組織損傷[65]。除了蚯蚓以外, 微塑料對土壤寡毛類環(huán)節(jié)動物()的也存有毒性效應(yīng), 高暴露濃度微塑料(>90 g·kg-1)顯著影響其的繁殖能力[66]。同時對微塑料出現(xiàn)回避現(xiàn)象, 與微塑料接觸的動物表現(xiàn)更強的氧化應(yīng)激狀態(tài)[67]。在其他生物中, PVC微塑料顯著增強了細(xì)菌多樣性, 并改變了跳蟲腸道中的微生物區(qū)系, 高濃度微塑料對跳蟲的生長和繁殖均有明顯的抑制作用[68]。白玉蝸牛攝食微塑料纖維表現(xiàn)出食量、排泄量減少, 胃腸壁絨毛明顯損傷的現(xiàn)象[69]。值得注意的是, 小鼠攝入微塑料后肝臟、腎臟和腸道中均有積累, 微塑料粒徑影響微塑料在組織中的分布和積累, 此外實驗還表明微塑料暴露引起能量和脂質(zhì)代謝紊亂以及氧化應(yīng)激反應(yīng)[70]。而關(guān)于對植物的影響, 微塑料污染會改變土壤性質(zhì)(容重、pH等), 從而影響水動力學(xué)和微生物活動, 植物生物量、組織元素組成、根系性狀發(fā)生了顯著變化, 同時也減少了種子發(fā)芽率[59, 71]。

在微塑料與其他化學(xué)物質(zhì)聯(lián)合毒性效應(yīng)研究方面, 早在2013年, Browne等人發(fā)現(xiàn)PVC微塑料可攜帶有機(jī)污染物及添加劑轉(zhuǎn)移入蚯蚓腸道組織, 并引發(fā)蚯蚓對病菌的抵抗力下降、炎癥、死亡等毒理效應(yīng)[72]。在微塑料作為污染物載體或與污染物協(xié)同作用的毒理研究中, Hodson等人表明微塑料可以提高Zn的生物有效性[73], 而另外一項研究則發(fā)現(xiàn)微塑料降低了蚯蚓腸道總砷的積累和As(V)向亞砷酸鹽(As(III))的轉(zhuǎn)化速率, 微塑料可能通過吸附/結(jié)合As(V), 降低As(V)的生物有效性[74]。事實上, 微塑料提高或降低金屬生物有效性的結(jié)論并不矛盾, 這與微塑料種類、吸附容量、重金屬性質(zhì)等密切相關(guān)。此外, 有研究表明微塑料(LDPE、PVC)在腸液模擬系統(tǒng)中微塑料吸附解吸多氯聯(lián)苯是完全可逆的, 同時也表明微塑料不僅能負(fù)載污染物轉(zhuǎn)移至動物體, 同時其在受污染動物腸道中也能夠通過吸附降低污染物濃度[75], 這提示我們應(yīng)重視微塑料在復(fù)雜污染環(huán)境下所產(chǎn)生的不同效應(yīng)。Gao 等人研究表明聚乙烯微塑料協(xié)同鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)對植物存在影響, 結(jié)果證實微塑料會抑制萵苣生長, 阻礙光合作用, 并干擾其抗氧化防御系統(tǒng), 外源微塑料處理加劇了DBP對萵苣的傷害[76]。因此, 微塑料自身及負(fù)載污染物對土壤生物均有一定的毒性效應(yīng), 但主導(dǎo)因素(物理或化學(xué)影響)及誘發(fā)毒性機(jī)制需進(jìn)一步研究。

3 微塑料在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化

3.1 土壤環(huán)境中的微塑料釋放與遷移

一旦被輸送到土壤或在土壤中生成, 微塑料可以通過非生物和生物機(jī)制進(jìn)行分散。通過風(fēng)力作用, 微塑料在空氣中至少可移動95公里[41], 同時據(jù)推測微塑料可以在地面上較小的空間尺度上移動。Rezaei等人的研究表明風(fēng)蝕對微塑料在陸地環(huán)境中的遷移起到關(guān)鍵作用[50], 同樣雨水徑流對土壤表層微塑料的遷移也起到重要作用[43, 44]。此外干濕循環(huán)對微塑料的遷移也存在一定作用, David等人的研究表明較大的干濕循環(huán)次數(shù)增加了微塑料在砂柱中的穿透深度[77]。土壤中一些生物如(蚯蚓、跳蟲等)被證實有遷移微塑料或者改變微塑料遷移的能力。蚯蚓挖洞增加了土壤孔隙度和水分滲透率, 為微塑料的移動創(chuàng)造了通道, 同時也為水?dāng)y帶微塑料向土壤更深層移動提供了條件[78]。有研究表明, 蚯蚓活動極大地提高了深層微塑料顆粒的豐度, 較小粒徑的聚乙烯微珠有更大概率被向下運輸[79]。微塑料被攝入蚯蚓體內(nèi)后, 顆粒粒徑在胃腸道消化作用下變小, 并通過蚯蚓排泄將微塑料富集至蚯蚓糞中[23]。在一項實驗室研究中, 兩種不同的彈尾目動物物種可以移動和再分布微塑料顆粒[80], 遷移微塑料的能力與生物體及微塑料的大小以及它們的物種類別密切相關(guān)。植物根系可以生長時移動微塑料, 并為額外的移動創(chuàng)造通道, 因此也可能促進(jìn)微塑料在土壤剖面中更深的地方遷移[81]。土壤開裂、孔隙、農(nóng)藝措施(例如耕作和收獲)、植物的根生長、土壤動物(尤其是蚯蚓)的攝食和排泄活動以及其他土壤動物的挖掘行為很可能促成了微塑料在土壤中的垂直遷移: 而捕食活動、土壤表層蚯蚓的生命活動以及農(nóng)藝措施等可以促進(jìn)微塑料在土壤中的水平移動[82], 如圖1所示。

塑料的老化會增加其親水性從而大大提高球形聚苯乙烯納米塑料在飽和壤土沙中的遷移率[83]。土壤的pH, 礦物質(zhì)組成, 離子強度和陽離子類型也可能強烈影響納米塑料在天然土壤中的運輸, 天然土壤中PSNP(聚苯乙烯納米塑料)的遷移運輸及歸趨對土壤理化性質(zhì)、離子強度和陽離子類型高度敏感, 并揭示了納米塑料在高pH和低Fe / Al氧化物含量的土壤中具有很強的遷移能力, 這可能對土壤和地下水環(huán)境構(gòu)成潛在風(fēng)險[84]。Yan等人的研究表明表面電荷是微塑料移動性的主要控制因素, 而微塑料的密度盡管比水低, 但由于與土壤礦物的異質(zhì)聚集導(dǎo)致的密度增加被認(rèn)為是其向下遷移的驅(qū)動機(jī)制[85]。目前, 還沒有相關(guān)研究能夠解釋形狀對微塑料在土壤中遷移的影響, 微塑料的類型和表面結(jié)構(gòu)對其在土壤中遷移和滯留的影響需要進(jìn)一步研究。

3.2 土壤環(huán)境中的微塑料向食物鏈的遷移及生態(tài)風(fēng)險

對海洋環(huán)境中微塑料在食物鏈的遷移的研究遠(yuǎn)早于土壤中。Farrell等人的研究展示了微塑料在實驗室條件下的“自然”營養(yǎng)轉(zhuǎn)移, 微塑料可從貽貝體內(nèi)轉(zhuǎn)移到螃蟹的血淋巴和組織中[86]。而在土壤環(huán)境中, Lwanga等人發(fā)現(xiàn)了在陸地食物鏈中轉(zhuǎn)移塑料碎片的現(xiàn)場證據(jù)[24], 即在家庭花園土壤-蚯蚓-雞的食物鏈中, 土壤、蚯蚓糞、雞糞和雞胃中均檢測到微塑料, 微塑料富集在蚯蚓糞及雞糞中。此外, 微塑料在動物體內(nèi)的富集程度仍需更s深入的研究。一項野外調(diào)查首次發(fā)現(xiàn)可食用陸生蝸牛體內(nèi)存在微塑料, 雖然豐度較低, 但表明人類或者其他動物可能通過取食蝸牛而攝入微塑料[87]。在陸生鳥類的研究中, Carlin等人發(fā)現(xiàn)赤肩鵟、魚鷹等8種猛禽胃腸道中含有微塑料, 且以纖維塑料居多[88]。作為食物鏈中高營養(yǎng)級動物, 猛禽以鼠類等小型哺乳動物、蛇、蜥蜴及兩棲動物為食, 微塑料污染的水及獵物可能是猛禽攝入微塑料的重要來源, 其中營養(yǎng)級遷移機(jī)制需進(jìn)一步研究。Lu等人對中國8個不同地區(qū)的20種小動物藥材和10種活體陸生動物藥材進(jìn)行檢測, 結(jié)果顯示94.67%的藥材檢出微塑料[89], 這表明微塑料污染廣泛存在于動物中藥材中, 同時也指出微塑料可能在陸生動物體內(nèi)普遍存在, 人類使用中藥可能導(dǎo)致微塑料的攝入?，F(xiàn)有的研究雖未證實微塑料對動物的急性毒性作用, 但隨著微塑料生物積累以及在食物鏈的遷移, 可能會對陸地食物網(wǎng)及人類健康造成不利影響。

圖1 土壤微塑料遷移示意圖

Figure 1 Schematic diagram of migration of microplastics in soil

4 總結(jié)與展望

水環(huán)境特別是海洋中的微塑料污染已經(jīng)引起了全球的廣泛關(guān)注, 相比之下土壤系統(tǒng)微塑料污染受到的科學(xué)關(guān)注要少得多。本文對土壤環(huán)境中微塑料的來源、豐度及分布特征、對土壤物理化學(xué)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的負(fù)面影響、微塑料的遷移機(jī)制以及食物鏈中的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移進(jìn)行了歸納總結(jié), 現(xiàn)有的研究對土壤微塑料污染生態(tài)影響的認(rèn)識還存在不足, 許多機(jī)制問題仍不清楚, 在全面揭示土壤微塑料污染之前, 還需進(jìn)行更加深入的研究。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上, 提出以下幾點看法:

1)現(xiàn)有對土壤環(huán)境中微塑料的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠全面評估土壤微塑料污染的全貌。對比水體中微塑料的檢測, 土壤在檢測手段上缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn), 以至于不能科學(xué)客觀地比較地區(qū)污染水平。應(yīng)根據(jù)土壤不同的性質(zhì)開發(fā)一套快捷、經(jīng)濟(jì)的檢測方法, 實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。此外還應(yīng)重視納米微塑料的提取與檢測, 并探索其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

2)應(yīng)加強土壤中微塑料的來源及歸趨研究。重視新技術(shù)(如無機(jī)源示蹤劑、同位素材料等)在研究微塑料進(jìn)入土壤環(huán)境或食物鏈中的應(yīng)用, 以構(gòu)建微塑料遷移模型, 更好地預(yù)測微塑料進(jìn)入土壤環(huán)境中的行為, 為防控微塑料污染提供理論基礎(chǔ)。

3)區(qū)分不同類型、形狀、大小微塑料對生物的毒理效應(yīng)?，F(xiàn)有大部分研究采用的微塑料材料為熒光聚苯乙烯微粒, 在今后研究中應(yīng)考慮到微塑料材料的代表性, 包括其在環(huán)境中不同類型、形狀、大小微塑料所占比例等, 以更好地評估微塑料的毒理效應(yīng)。

4)在陸生環(huán)境中, 現(xiàn)有的野外研究僅涉及到蝸牛、蚯蚓、鳥類等動物, 需加強對不同陸生野外動物攝食微塑料的研究, 為全面評估微塑料對土壤環(huán)境生態(tài)風(fēng)險提供數(shù)據(jù)支撐。

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A review on the characteristics of soil microplastics pollution and the migration and transformation of microplastics in soil

CHEN Manying1, YU Qiao2, ZHANG Taiping2,*

1. Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision, Guangzhou 510330, China 2. School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China

As an emerging contaminant, microplastics are ubiquitous in water and soil ecosystem, and it has become one of the hotspots in the research of environmental pollution in recent years. At present, the research is mainly focused on the detection, occurrence, characterization and toxicology of microplastics in marine and freshwater ecosystems. Compared to aquatic ecosystems, our understanding of the ecological effects of microplastics in soil ecosystems is still very limited. Here, we reviewed the sources, abundance and distribution characteristics of microplastics in soil environment, the negative effects of microplastics on soil structure and biology, the migration mechanisms of microplastics and trophic transfer in food chains in order to reveal the potential ecological and human health risks caused by microplastics in the soil environment, and finally put forward the future research direction of microplastics pollution and soil ecological toxicity.

soil; microplastics; pollution; migration and transformation; ecotoxicology

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X53,X171.5

A

1008-8873(2021)04-202-10

2020-06-19;

2020-07-17

國家重點研發(fā)計劃(2019YFF0216900); 韶關(guān)市科技計劃項目(2019CS05307)

陳滿英(1974—), 女, 博士, 研究方向為環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域, E-mail:103427809@qq.com

張?zhí)? 男, 博士, 副教授, 主要從事生態(tài)工程與環(huán)境修復(fù)研究, E-mail: lckzhang@scut.edu.cn