中國(guó)土壤微塑料污染

2021-08-25 12:16:12楊玲張玉蘭康世昌王兆清吳辰熙

自然雜志 2021年4期

楊玲，張玉蘭，康世昌??，王兆清，吳辰熙

①中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；②中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；③蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000；④中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072

自1945年以來，塑料產(chǎn)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而且正被儲(chǔ)存到化石記錄中。在青銅和鐵器時(shí)代之后，人類迎來“塑料時(shí)代”[1]。塑料的材料特性，尤其是質(zhì)輕、耐腐蝕、價(jià)廉、生產(chǎn)方便等使塑料產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用，塑料產(chǎn)業(yè)因而得以迅速發(fā)展[2]。塑料的大量生產(chǎn)、快速消耗，塑料垃圾回收和管理不當(dāng)，以及塑料自身非常緩慢的降解速率，使得塑料垃圾大量累積[3]。部分塑料垃圾以碎片的形式存在于環(huán)境中，少數(shù)大塑料碎片可以通過打撈、挑選等技術(shù)手段從環(huán)境中清除并進(jìn)入回收過程，而粒徑較小的微塑料，幾乎無法從環(huán)境基質(zhì)中去除[4]。

微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒、纖維、薄膜、碎片等，包括原生微塑料和次生微塑料[5]。原生微塑料是指工業(yè)生產(chǎn)的小粒徑塑料產(chǎn)品，如化妝品等含有的塑料微珠以及作為工業(yè)原料的塑料顆粒和樹脂顆粒。次生微塑料是指大的塑料垃圾經(jīng)過物理、化學(xué)和生物風(fēng)化過程造成分裂或體積減小而形成的粒徑較小的塑料。隨著塑料垃圾數(shù)量的增多，微塑料的數(shù)量也隨之遞增。微塑料具有尺寸小、比表面積大、疏水性強(qiáng)等特點(diǎn)，是眾多疏水性有機(jī)污染物和重金屬的理想載體[6]。微塑料性質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)入環(huán)境中后很難被降解，并且可在風(fēng)力、河流等外力作用下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離傳輸，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生廣泛、持久的影響[7]。

陸地作為塑料生產(chǎn)的源頭，同時(shí)也是重要的匯集區(qū)[8]。污水灌溉及污泥施用會(huì)將污水處理廠中匯集的多種來源的微塑料轉(zhuǎn)移到農(nóng)業(yè)土壤中[9-11]；裹挾著塑料和微塑料的有機(jī)肥的長(zhǎng)期施用導(dǎo)致土壤微塑料污染[11]；農(nóng)用地膜殘留也會(huì)分解形成大量的微塑料[12]；不當(dāng)處理的塑料垃圾[13]和大氣中微塑料的沉降[14]會(huì)造成土壤微塑料污染；灌溉可以將河流、湖泊及水庫(kù)中賦存的微塑料轉(zhuǎn)移至土壤中。越來越多的證據(jù)表明，微塑料可能會(huì)引起陸地系統(tǒng)的環(huán)境變化[15-16]，而高濃度的微塑料可能會(huì)影響土壤的性質(zhì)及功能。此外，由于尺寸較小，微塑料可以被植物吸收，并可以被生物攝食。向植物或生物轉(zhuǎn)移并累積的不僅包括微塑料，還包括其表面富集的多種污染物（重金屬及持久性有機(jī)污染物），并最終對(duì)人類構(gòu)成潛在的威脅。

我國(guó)是塑料生產(chǎn)和使用大國(guó)，其中多種塑料產(chǎn)品，如聚氯乙烯（PVC）、氨基模塑料等產(chǎn)量已位居全球首位，且進(jìn)一步增長(zhǎng)的潛力仍十分巨大。這些塑料的生產(chǎn)和使用構(gòu)成巨大的環(huán)境壓力。目前，我國(guó)土壤微塑料研究才剛起步，許多科學(xué)和管理問題亟待回答。本文總結(jié)了我國(guó)土壤微塑料的研究進(jìn)展，分析了土壤環(huán)境中微塑料的污染來源和環(huán)境行為，探討了微塑料污染的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，以期為我國(guó)土壤微塑料污染防治提供參考。

1 土壤微塑料污染現(xiàn)狀

2016年，周倩等[17]發(fā)表的關(guān)于中國(guó)東海岸廢棄鹽場(chǎng)中微塑料污染的研究論文是我國(guó)第一篇土壤微塑料污染報(bào)道。隨后，我國(guó)土壤微塑料污染調(diào)查研究陸續(xù)展開。在杭州灣[18]、渤海和黃海等沿海地區(qū)的土壤中發(fā)現(xiàn)了高濃度的微塑料[18]，最高濃度可達(dá)14 712.5個(gè)/kg 。此外，在哈爾濱[19]、石河子[20]、武漢[21]、上海[22-23]、天津[24]、保定[25-26]以及黃土高原[27]等地區(qū)的農(nóng)田中檢測(cè)到了微塑料的存在，甚至青藏高原地區(qū)的土壤中也檢測(cè)到了微塑料[28]，說明我國(guó)土壤環(huán)境中微塑料污染的普遍性。其中，以在武漢農(nóng)田中檢測(cè)到的微塑料含量最高，微塑料含量高達(dá)1.6×105個(gè)/kg[29]，在云南滇池柴河流域的農(nóng)田中也檢測(cè)到不低的微塑料含量（18 760個(gè)/kg）[30]，可見我國(guó)土壤微塑料污染的嚴(yán)重性。武漢市郊區(qū)農(nóng)田微塑料調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型的土壤微塑料含量不同。林地中的微塑料含量（4.1×105個(gè)/kg）顯著高于菜地（1.6×105個(gè)/kg）和空地（1.2×105個(gè)/kg），并在微塑料中檢測(cè)到了多種重金屬，包括Cd、Cr、Pb、Ag、Cu、Sb、Hg、Fe和Mn等[29]。此外，在上海針對(duì)不同深度土壤微塑料含量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，淺層土壤中微塑料含量高于深層土壤中微塑料的含量[22]。

2 土壤微塑料特征

土壤既是多種微塑料的“源”，同時(shí)又是多種微塑料的“匯”。土壤中發(fā)現(xiàn)的微塑料的特征可以反映局地人類活動(dòng)及大氣沉降，為探究微塑料的來源提供可能[31]。此外，微塑料的形態(tài)特征直接關(guān)系到微塑料的環(huán)境行為和效應(yīng)[32]。微塑料常以不同形狀存在于土壤環(huán)境中[33]，最常見的塑料形狀是碎片和纖維，其中小于1 mm的微塑料更為常見[34]。圖1展示了土壤環(huán)境中典型微塑料的形貌特征。不同土壤中檢測(cè)到的微塑料類型均以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）為主，這與該類型的塑料用量較大有關(guān)[35]。微塑料的顏色多樣，不同區(qū)域微塑料的顏色差異大。對(duì)比水生環(huán)境（河流、海洋）與土壤環(huán)境中微塑料的特征發(fā)現(xiàn)，水生環(huán)境和土壤環(huán)境中微塑料的特征存在一定的相似性，表明陸地環(huán)境與水生環(huán)境微塑料的來源存在一定的相似性，且二者存在微塑料的交換[36-37]。

圖1 堆肥中的微塑料[34]

3 土壤環(huán)境中的微塑料來源

數(shù)量巨大卻又不易察覺的微塑料源源不斷地向土壤輸送，導(dǎo)致土壤中的微塑料積累。土壤環(huán)境中微塑料的來源廣泛，塑料垃圾破碎形成的次生微塑料以及農(nóng)用地膜殘留、污泥和有機(jī)肥的施用、大氣沉降和灌溉等都會(huì)構(gòu)成微塑料污染[38-39]（圖2）。

圖2 土壤中微塑料的主要來源（修改自[36]）

污泥作為污水處理廠的最終產(chǎn)品，通常富含有機(jī)物和微量元素，因而將污泥作為肥料施用于農(nóng)田的措施已得到廣泛的應(yīng)用。在歐洲和北美，約有50%的污泥被用于農(nóng)業(yè)，而在芬蘭和愛爾蘭，其比例甚至高達(dá)72%[39]。在某些水資源稀缺的地區(qū)，污水也被用于灌溉。微塑料進(jìn)入污水處理系統(tǒng)后，由于其體積小，常規(guī)污水處理技術(shù)很難完全將其去除，這些微塑料就會(huì)在污泥中積累，而污泥的施用又將其中的微塑料轉(zhuǎn)移到土壤中[40]。此外，一些污泥和污水的不規(guī)范傾倒也會(huì)造成土壤微塑料污染[41]。

由PVC和PE制成的地膜，因其顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。2016年全球農(nóng)用塑料薄膜市場(chǎng)交易量為400萬(wàn)t，并預(yù)計(jì)每年會(huì)以5.6萬(wàn)t的速度增長(zhǎng)[42]。塑料地膜厚度小，且長(zhǎng)期暴露于紫外線下的塑料薄膜老化嚴(yán)重，因而在農(nóng)業(yè)活動(dòng)的機(jī)械作用下易破碎，而且在凍融循環(huán)及生物作用下又會(huì)進(jìn)一步破碎，最終構(gòu)成土壤微塑料污染[5]。研究人員發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田中大多數(shù)微塑料的表面強(qiáng)烈風(fēng)化，且微塑料含量與塑料薄膜的覆蓋時(shí)間成正比，為這一結(jié)論提供了證據(jù)[20]。

堆肥也是微塑料進(jìn)入土壤的重要途徑。以畜禽動(dòng)物糞便、城市生活垃圾等有機(jī)廢物加工而成的有機(jī)肥施用于農(nóng)田，可以將其中的養(yǎng)分、微量元素和腐殖質(zhì)實(shí)現(xiàn)再利用，理論上是一種環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[39]。然而，由于處置不當(dāng)和廢物分類不當(dāng)，堆肥中往往含有塑料及微塑料[41]。對(duì)波恩的一個(gè)堆肥廠的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，堆肥中肉眼可見的微塑料碎片含量為2.38～180 mg/kg，這證實(shí)了有機(jī)堆肥中微塑料的存在[41]。

區(qū)域環(huán)境內(nèi)不當(dāng)處理的塑料垃圾也是土壤中微塑料的重要來源。據(jù)估計(jì)，從1950年到2015年，全球大約產(chǎn)生了63億t塑料垃圾，其中49.7億t散落或堆積在自然環(huán)境中[34]。一方面，垃圾填埋場(chǎng)中塑料垃圾滲流構(gòu)成土壤微塑料來源[8]；另一方面，塑料垃圾在生物、物理和化學(xué)風(fēng)化作用下逐漸破碎形成微塑料，也構(gòu)成土壤微塑料來源[43]。

河流、湖泊、水庫(kù)、地下水等灌溉用水中微塑料的存在已得到證實(shí)，因此通過灌溉，其中的微塑料會(huì)轉(zhuǎn)移到土壤中[34]，構(gòu)成土壤微塑料污染。除了灌溉外，大氣中微塑料的沉降也是土壤微塑料的來源之一。Dris等[14]首次報(bào)道并估算了微塑料的沉降通量，其中室外大氣微塑料沉降通量可達(dá)0.3～1.5個(gè)/m3（纖維）。周倩等[44]發(fā)現(xiàn)我國(guó)濱海城市大氣微塑料的沉降通量可達(dá)（1.30～6.24）×102個(gè)/（m2·d）。

4 土壤中微塑料的影響

現(xiàn)有研究表明，微塑料作為一種固體污染物進(jìn)入土壤后，極易在干濕循環(huán)、土壤翻耕或生物擾動(dòng)等作用下不同程度地整合到土壤團(tuán)聚體中，引起土壤pH值、容重、持水能力、土壤結(jié)構(gòu)和生物量等生物物理特性的改變[39]。de Souza Machado等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加多種微塑料后，高密度聚乙烯（HDPE）和聚苯乙烯（PS）球（2～3 mm）、聚酯（PET）和PP纖維（5 mm）可使土壤容重顯著降低，聚酰胺（PA）和PET纖維可顯著降低土壤的持水能力，PS還會(huì)導(dǎo)致土壤生物量的改變。微塑料的積累也會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致土壤表面發(fā)生干裂[45]。在種植黑麥草的土壤中添加HDPE 30天后，土壤的pH值與對(duì)照組相比降低了0.62[46]。以上研究表明，微塑料對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響較為復(fù)雜，微塑料的類型、形狀、濃度都可能是影響的因素[39]。

陸生植物具有的根系、木質(zhì)部等特殊結(jié)構(gòu)和膜電位、蒸騰作用等性質(zhì)有利于植物對(duì)微塑料的吸收[47]。模擬實(shí)驗(yàn)表明，在0.1%聚乳酸（PLA）和HDPE纖維處理下，黑麥草的發(fā)芽率和發(fā)芽高度顯著降低[46]。在另一項(xiàng)研究中，Jiang等[48]研究了PS微塑料對(duì)蠶豆的生態(tài)毒性和遺傳毒性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)微塑料的濃度達(dá)到100 mg/L時(shí)，PS微塑料對(duì)蠶豆的生長(zhǎng)具有顯著的抑制作用，這些微塑料可能會(huì)阻塞細(xì)胞連接或用于養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)募?xì)胞壁孔。然而de Souza Machado等[15]的研究表明，存在HDPE的情況下，植物根部生物量更大?？梢?，微塑料對(duì)植物的影響是復(fù)雜的、多樣的。

在土壤微塑料研究中，由微塑料暴露引起的生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)是最令人關(guān)注的問題。微塑料作為一種復(fù)合性的污染物，其表面常富集其他污染物，包括重金屬、二噁英和持久性有機(jī)污染物[49]。此外，微塑料中常見的添加劑，例如阻燃劑、增塑劑、熱穩(wěn)定劑和抗氧化劑，也存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)。一項(xiàng)對(duì)墨西哥東南部家庭花園的調(diào)查研究表明，微塑料濃度在土壤（0.87±1.9個(gè)/g）、蚓糞（14.8±28.8個(gè)/g）和雞糞（129.8±82.3個(gè)/g）中逐級(jí)增加，這表明微塑料能夠進(jìn)入陸生食物鏈并在其中累積[50]。Rillig等[51]也通過模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了蚯蚓可向土壤深層運(yùn)輸PE微球。除蚯蚓外，模擬實(shí)驗(yàn)表明跳蟲[52]、老鼠[53]、線蟲和蝸牛[54]均可攝食微塑料。最近，在成年人糞便和結(jié)腸切除標(biāo)本中檢測(cè)到了微塑料，證實(shí)微塑料可以被人類攝食[55]。其來源和途徑可能是通過食物鏈轉(zhuǎn)移，也有可能通過其他來源和途徑，如吸入微塑料污染的空氣，攝入水及其他存在微塑料污染的食物等[56]。

5 研究展望

如果將微塑料視為環(huán)境污染物，那么與其他污染物（例如氣溶膠、重金屬）顯著不同的是，微塑料完全由人類活動(dòng)產(chǎn)生，沒有自然背景值。已有研究表明，城市化水平和人口密度與微塑料污染程度顯著相關(guān)[28]。研究者基于塑料垃圾不當(dāng)管理模型（MPW）和人類發(fā)展指數(shù)（HDI）的模型預(yù)測(cè)了河流對(duì)海洋的微塑料輸入量[57-59]。Feng等[28]基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提出了微塑料排放預(yù)測(cè)公式，可以粗略預(yù)測(cè)土壤環(huán)境中的微塑料排放量。這些研究是對(duì)微塑料排放定量模擬的有益嘗試，但并不能實(shí)現(xiàn)模型與微塑料來源具體參量的耦合。為了更好地實(shí)現(xiàn)微塑料的管控，每一要素對(duì)于土壤環(huán)境匯中微塑料的貢獻(xiàn)需要被具體化，以確定管控的重點(diǎn)。如何建立微塑料的排放清單，定量評(píng)估微塑料的排放含量及增量是一個(gè)迫切需要解決的問題。

目前，微塑料的定量評(píng)估及來源解析研究已起步，但對(duì)一些關(guān)鍵過程的認(rèn)識(shí)還不甚清楚，如微塑料在土壤中賦存的影響因素、遷移機(jī)制以及富集過程等。Huang等[30]研究發(fā)現(xiàn)土地利用類型影響微塑料的含量，而微塑料含量與土壤化學(xué)組成（pH值、有機(jī)質(zhì)含量、鐵含量）之間無顯著相關(guān)性。對(duì)于土壤微塑料含量的影響因素、遷移機(jī)制及富集過程還需要進(jìn)一步確認(rèn)。