（微）塑料污染對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響：進(jìn)展與思考

朱永官，朱 冬，許 通，馬 軍

（中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021）

我們現(xiàn)在身處一個(gè)“塑料”的時(shí)代，塑料產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，其產(chǎn)量和廢棄量逐年遞增。在歐洲，包裝領(lǐng)域需求塑料最多，占總重量的40%，其次為建筑、汽車、電器、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[1]。全球塑料產(chǎn)量從1950年的200萬(wàn)t增加到2015年的3.8億t，總產(chǎn)量達(dá)78億t（中國(guó)產(chǎn)量約占28%），其中9%的塑料被回收，79%的塑料被填埋或者遺棄在自然界中[2-3]。自1992年至2016年，全球生活源廢塑料貿(mào)易量為2.4億t，中國(guó)進(jìn)口量占72%，對(duì)全球的廢塑料回收做出了巨大貢獻(xiàn)。

塑料的大量使用已經(jīng)導(dǎo)致環(huán)境中塑料及其衍生品對(duì)大氣、海洋和陸地環(huán)境造成污染[4-5]。2012年全球因生產(chǎn)和使用塑料產(chǎn)品而排放的二氧化碳（不包括填埋和焚燒）達(dá)3.9億t[6]。大量塑料被隨意丟入湖泊、河流并匯入海洋，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)的洋流在世界五個(gè)地區(qū)集中，形成世界的“海洋垃圾帶”。這些塑料碎片已對(duì)海洋生態(tài)造成威脅，甚至將可能產(chǎn)生不可逆的影響[7]。研究表明，2010年沿海國(guó)家和地區(qū)共產(chǎn)生約2.8億t塑料垃圾，其中480萬(wàn)～1270萬(wàn)t塑料流入海洋，中國(guó)的排放量遠(yuǎn)高于全球其他地區(qū)，約為美國(guó)的30倍[8]。盡管我們對(duì)Jambeck等[8]研究的模型和方法持懷疑態(tài)度，但研究的結(jié)論已成為發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)進(jìn)行指責(zé)與攻擊的依據(jù)，給我國(guó)造成巨大壓力。

大塊塑料經(jīng)紫外線照射、碰撞磨損或工業(yè)生產(chǎn)等方式，形成粒徑小于5 mm的固體顆粒被稱為微塑料[9]，也有學(xué)者提出粒徑小于1 mm才稱為微塑料[3]。微塑料具有不溶性和持久性，根據(jù)形態(tài)主要分為球形顆粒、薄膜、碎片和纖維。隨著研究的深入，微塑料的分類將越來(lái)越精細(xì)，粒徑更小的微塑料也將被重新定義。汽車輪胎磨損、日常生活和洗衣、工業(yè)過(guò)程（如打磨）、表面磨損和塑料涂料（如人造草皮和聚合物涂料）是微塑料的主要產(chǎn)生方式，因其能夠進(jìn)入食物鏈，進(jìn)而可引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境和健康問(wèn)題[10]。海洋受微塑料影響最為直接，在牡蠣等海洋生物體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)微塑料顆粒[11]，人類糞便中也已發(fā)現(xiàn)微塑料。土壤中（微）塑料的污染也十分普遍，主要通過(guò)農(nóng)膜的大量使用和廢棄物的循環(huán)利用等途徑進(jìn)入。德國(guó)科學(xué)家Rillig是世界上最早關(guān)注土壤微塑料污染的學(xué)者之一[12]，他指出微塑料進(jìn)入土壤后，積累到一定程度則會(huì)影響土壤性質(zhì)、土壤功能及生物多樣性。隨后，一些學(xué)者進(jìn)行了相對(duì)深入的研究，發(fā)現(xiàn)土壤中的微塑料對(duì)水分、養(yǎng)分的運(yùn)輸和作物生長(zhǎng)均有不良影響[13-14]。

關(guān)于土壤塑料污染今年已有綜述論文[15-16]，他們比較全面地論述了相關(guān)的研究進(jìn)展，總體比較宏觀。本文主要結(jié)合最新的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，從土壤生物學(xué)的視角綜述了微塑料污染對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，并提出了未來(lái)的一些研究重點(diǎn)和方向，為開(kāi)展微塑料污染的土壤生態(tài)效應(yīng)的相關(guān)研究提供參考。

1 微塑料對(duì)土壤物理化學(xué)性質(zhì)的影響

微塑料通過(guò)長(zhǎng)期的農(nóng)用地膜殘留、有機(jī)肥和污泥的施用、地表水灌溉和大氣沉降等方式[17]進(jìn)入土壤環(huán)境。在我國(guó)上海城郊淺表層（0～3 cm）和深表層（3～6 cm）土壤中，分別發(fā)現(xiàn)粒徑為20～5 mm的微塑料豐度達(dá)到78.00個(gè)·kg-1土和62.50個(gè)·kg-1土，而粒徑為5～2 cm的塑料豐度達(dá)到6.75個(gè)·kg-1土和3.25個(gè)·kg-1土，且有48.79%和59.81%的塑料粒徑小于1 mm[18]。在滇池周邊的農(nóng)田和河岸森林土壤中也發(fā)現(xiàn)微塑料豐度達(dá)7100～42 960個(gè)·kg-1土（平均18 760個(gè)·kg-1土），且95%的微塑料粒徑在0.05～1 mm之間[19]。在歐洲農(nóng)田中，污泥施用使得土壤中微塑料顆粒達(dá)到1000～4000個(gè)·kg-1土[20]。在澳大利亞悉尼工業(yè)區(qū)土壤中微塑料含量高達(dá)0.03%～6.7%[21]。這些進(jìn)入土壤中的微塑料，在長(zhǎng)期的風(fēng)化作用、紫外照射及其與土壤中其他組分的相互作用下[22]，表面逐步老化、粗糙，顆粒或碎片裂解，粒徑變小，比表面積增大，吸附位點(diǎn)增加，表面官能團(tuán)增多，疏水性增強(qiáng)，辛醇/水分配系數(shù)升高，在土壤pH、鹽度、有機(jī)質(zhì)和離子交換等復(fù)雜因素的調(diào)控下，對(duì)土壤中重金屬和多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥、抗生素等有機(jī)污染物的吸附能力顯著增強(qiáng)[22-23]，從而改變土壤的理化性質(zhì)，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康。

微塑料進(jìn)入土壤可以影響土壤的結(jié)構(gòu)及其他物理性質(zhì)。de Souza Machado等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境相關(guān)濃度下，微塑料可以影響土壤容重、水力特征以及團(tuán)聚體的變化。此外，不同微塑料的影響存在較大差異，如聚酯顯著降低土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，而聚乙烯則可以顯著提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的量[24]。一項(xiàng)云南的野外調(diào)查研究[19]發(fā)現(xiàn)，70%以上的微塑料顆粒和土壤團(tuán)聚體相結(jié)合，特別是和微團(tuán)聚體結(jié)合。但是目前還缺乏有關(guān)塑料污染與土壤團(tuán)聚體相互作用的長(zhǎng)期和原位研究，因此尚無(wú)法判斷塑料污染對(duì)土壤水分運(yùn)移和水土保持的影響。

1.1 微塑料對(duì)重金屬的吸附

近年來(lái)，一些研究已經(jīng)證明：微塑料進(jìn)入土壤環(huán)境會(huì)與重金屬發(fā)生地球化學(xué)作用[25-26]。耕地、林地是農(nóng)用地膜使用和施肥灌溉的主要區(qū)域，Hodson等[25]研究了高密度聚乙烯對(duì)農(nóng)林用地土壤中Zn2+的吸附行為，他們發(fā)現(xiàn)，在含有更加豐富的有機(jī)質(zhì)林地土壤中，高密度聚乙烯對(duì)Zn2+的吸附能力更強(qiáng)，且吸附行為符合Langmuir和Freundlich方程。土壤中微塑料的老化對(duì)其吸附重金屬也有顯著的影響，Nicole等[26]將高密度聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯（微米級(jí)的再生塑料顆粒）暴露在人工老化條件（2000 h；光氧化和熱氧化）下模擬它們?cè)趹敉獾睦匣^(guò)程后，用柱滲濾試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)了微塑料老化不僅明顯增加了其對(duì)TOC、Cl、Ca、Cu、Zn的吸附，而且也減弱了重金屬的解吸和釋放作用，表明老化的微塑料對(duì)重金屬具備更強(qiáng)的固定能力。Turner等[27]利用新鮮和老化的微塑料小球吸附痕量金屬的研究也表明，金屬對(duì)老化塑料具備更強(qiáng)的親和力。此外，土壤中的官能團(tuán)吸附到微塑料表面，可能對(duì)其吸附重金屬有一定影響，Kim等[28]對(duì)官能團(tuán)包被的聚苯乙烯吸附Ni的研究表明，官能團(tuán)改變微塑料和重金屬表面的疏水性，從而影響其對(duì)重金屬的吸附。因此，微塑料一旦進(jìn)入土壤且被風(fēng)化老化，在土壤復(fù)雜環(huán)境的影響下，其將成為重金屬的有效載體固定在土壤環(huán)境中，可能損害土壤生態(tài)系統(tǒng)健康。

1.2 微塑料對(duì)有機(jī)污染物的吸附

多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、殺蟲劑、除草劑和抗生素等有機(jī)污染物是影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康的另一類重要因素。近年來(lái)，學(xué)者們普遍認(rèn)為微塑料在環(huán)境中扮演著污染物遷移載體的角色。Heskett等[29]對(duì)太平洋、大西洋、印度洋和加勒比海區(qū)域的孤島微塑料吸附有機(jī)污染物的研究發(fā)現(xiàn)，即使是不同環(huán)境背景濃度的PCBs、DDTs、HCHs也可被微塑料吸附。污染物的疏水性直接影響其在微塑料表面的吸附，Hüffer等[30]研究了4種微塑料（PE、PA、PS和PVC）對(duì)7種脂肪族和芳香族有機(jī)物的吸附作用，他們發(fā)現(xiàn)PE的吸附主要在于固液相的分配平衡，而PA、PS和PVC對(duì)有機(jī)污染物的吸附以表面吸附為主導(dǎo)，并發(fā)現(xiàn)微塑料的吸附能力與污染物的疏水性緊密相關(guān)，揭示了疏水作用是影響微塑料吸附性的主要因素。Sven等[31]在pH=4、7、10的條件下，用兩種微塑料顆粒（聚乙烯和聚苯乙烯）吸附19種不同的污染物（農(nóng)藥、藥品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品），結(jié)果也證明相比于中性物質(zhì)，疏水化合物更易于吸附到塑料顆粒。環(huán)境中微塑料的老化風(fēng)化對(duì)有機(jī)污染物的吸附也有很重要的影響，Zhang等[32]將環(huán)境中風(fēng)化老化的發(fā)泡聚苯乙烯作為吸附劑對(duì)土霉素的吸附進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，相比于新鮮塑料，環(huán)境中發(fā)泡微塑料對(duì)抗生素的吸附能力更易受pH的影響，有機(jī)質(zhì)的存在影響抗生素與微塑料之間的靜電作用，并且能夠調(diào)控兩者的吸附。此外，氫鍵和多價(jià)陽(yáng)離子橋接、π-π作用對(duì)微塑料吸附抗生素具有重要的調(diào)控能力。綜上，土壤中的有機(jī)污染物會(huì)被微塑料所吸附，并且復(fù)雜的土壤環(huán)境條件對(duì)微塑料的吸附具有很強(qiáng)的調(diào)控能力。

1.3 微塑料對(duì)微生物的吸附

微生物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)健康至關(guān)重要。隨著研究的逐步深入，人們開(kāi)始擔(dān)憂微塑料可能成為致病菌等有害微生物的運(yùn)輸載體，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康。已有研究表明[33-34]，微塑料可為微生物提供吸附位點(diǎn)，使其長(zhǎng)期吸附在微塑料表面，形成生物膜，影響土壤微生物的生態(tài)功能。而且，伴隨微塑料的遷移，微生物會(huì)擴(kuò)散到其他生態(tài)系統(tǒng)，改變生態(tài)系統(tǒng)的菌群和功能。Oberbeckmann等[35]研究了不同環(huán)境條件（包括營(yíng)養(yǎng)水平）對(duì)聚苯乙烯、聚乙烯表面細(xì)菌群落的組成和特異性的影響，發(fā)現(xiàn)雖然大部分致病菌沒(méi)有被微塑料吸附，但表明了污水處理廠中微塑料是抗生素抗性基因水平轉(zhuǎn)移的載體。但總體來(lái)說(shuō)，目前關(guān)于土壤中微塑料對(duì)微生物的吸附和微生物在微塑料表面生長(zhǎng)的研究還很少，有待進(jìn)一步拓展和深入。

2 微塑料對(duì)土壤微生物群落的影響

在海洋塑料污染方面，Zettler等[33]提出塑料際的概念。他們利用電子掃描電鏡和下一代高通量測(cè)序等手段揭示了塑料表面存在復(fù)雜的微生物群落，甚至存在一些潛在的病原菌。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中目前還缺乏類似的研究。他們的測(cè)序數(shù)據(jù)顯示，不同塑料表面的微生物類群與海水的微生物組成具有很大的差異。關(guān)于塑料污染對(duì)土壤微生物群落影響的研究還較少，目前主要集中在塑料覆膜對(duì)微生物群落的影響以及微生物對(duì)塑料的降解上。如Jin等[36]長(zhǎng)期定位研究表明，塑料覆膜顯著提高玉米秸稈的降解，提高土壤有機(jī)碳的積累。Sun等[37]研究設(shè)施栽培土壤中表面活性劑和微塑料污染對(duì)土壤細(xì)菌和噬菌體相關(guān)的抗生素抗性基因的影響，發(fā)現(xiàn)這種影響還沒(méi)有明確的規(guī)律性。塑料污染是如何驅(qū)動(dòng)抗性基因的傳播也缺乏機(jī)理性的研究，需要深入的探討。Qian等[38]近期的研究顯示，覆膜塑料的殘留可以顯著降低土壤中碳氮循環(huán)相關(guān)基因的表達(dá)，從而降低土壤碳氮含量，影響土壤肥力。

塑料的化學(xué)成分在塑料降解過(guò)程中釋放，從而造成土壤污染，其中比較典型的是鄰苯二甲酸酯。Kong等[39]研究表明，隨著土壤中二丁基鄰苯二甲酸酯含量的提高，土壤微生物多樣性下降。Wang等[40]研究了土壤中二甲基鄰苯二甲酸酯污染對(duì)黑土中微生物功能的影響，他們發(fā)現(xiàn)這類污染物增加了土壤中一些功能基因，包括信號(hào)傳導(dǎo)基因和與二甲基鄰苯二甲酸酯降解有關(guān)的一些基因的表達(dá)，并認(rèn)為這些基因表達(dá)的增加可能導(dǎo)致土壤中碳氮循環(huán)的加快，可能不利于黑土肥力的維持。

3 微塑料與土壤動(dòng)物的相互作用

3.1 微塑料對(duì)土壤動(dòng)物的影響

微塑料污染能在多個(gè)方面影響土壤動(dòng)物。首先，由于微塑料微小的尺寸，它能夠被土壤動(dòng)物攝食，因此可能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[12]。多項(xiàng)關(guān)于蚯蚓的研究已經(jīng)表明，微塑料能夠被蚯蚓取食，且影響其成長(zhǎng)、存活和造成腸道的損傷[41-43]。Rillig等[44]總結(jié)早期的研究發(fā)現(xiàn)，土壤原生動(dòng)物如纖毛蟲、鞭毛蟲和變形蟲等能夠攝食微塑料顆粒，且提議微塑料對(duì)其的影響需要得到更大的關(guān)注。特別值得注意的是，變形蟲是濾食動(dòng)物，其可能誤食土壤孔隙水中的微塑料顆粒。在對(duì)土壤跳蟲的研究中，Zhu等[45]發(fā)現(xiàn)，28 d土壤微塑料暴露（1 g微塑料·kg-1干土）顯著減少跳蟲的繁殖率和成長(zhǎng)率，增加其體內(nèi)碳氮同位素的分餾。值得關(guān)注的是，近期對(duì)線蚓的研究表明，低濃度納米塑料急性飲食暴露（0.5%納米塑料/麥片）可顯著增加其繁殖率，但隨著暴露濃度的增加，繁殖率隨之下降且其生物量顯著降低[46]。對(duì)秀麗隱桿線蟲的研究表明，微塑料能夠影響其神經(jīng)毒性、氧化損傷、繁殖率、成長(zhǎng)和存活率，且微塑料粒徑的影響大于微塑料種類的影響[47-48]。但這些研究主要集中于微塑料對(duì)模式動(dòng)物的影響，對(duì)實(shí)際土壤動(dòng)物影響的關(guān)注還不足。最近，微塑料對(duì)土壤動(dòng)物腸道微生物的影響引起了大家的關(guān)注。一項(xiàng)關(guān)于跳蟲的研究表明，微塑料的土壤暴露破壞了其腸道微生物的群落結(jié)構(gòu)，但顯著增加了其腸道微生物的多樣性[45]。Zhu等[46]關(guān)于線蚓腸道微生物的研究也發(fā)現(xiàn)低濃度納米塑料的飲食暴露可增加其腸道微生物的多樣性，但隨著暴露濃度的增加，多樣性隨之下降且腸道微生物的群落結(jié)構(gòu)被改變。由于納米塑料的暴露，在線蚓腸道中與氮循環(huán)和有機(jī)質(zhì)分解相關(guān)的微生物（根瘤菌科和黃色桿菌科等）的相對(duì)豐度也顯著下降。一項(xiàng)對(duì)墨西哥東南部傳統(tǒng)瑪雅家庭花園的調(diào)查研究[49]發(fā)現(xiàn)，微塑料濃度在土壤（0.87±1.9個(gè)·g-1）、蚓糞（14.8±28.8個(gè)·g-1）和雞糞（129.8±82.3個(gè)·g-1）中逐級(jí)增加，這暗示微塑料能夠進(jìn)入陸生食物鏈并在其中累積。Rillig[12]也認(rèn)為土壤微型/中型動(dòng)物能夠取食微塑料并在其土壤碎屑食物鏈中傳遞累積。但由于檢測(cè)手段的限制，關(guān)于微塑料在土壤食物鏈中傳遞的認(rèn)識(shí)仍十分有限。而且，微塑料通過(guò)改變土壤動(dòng)物的棲息環(huán)境間接影響土壤動(dòng)物的活動(dòng)。微塑料可能堵塞土壤的孔隙，從而影響土壤中型動(dòng)物的活動(dòng)[12]。凋落物中混雜微塑料將影響大型土壤動(dòng)物（如蚯蚓等）的取食。一項(xiàng)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)[41]表明，微塑料污染的凋落物將影響凋落物對(duì)蚯蚓的適口性。此外，微塑料表面吸附的一些污染物質(zhì)也會(huì)增強(qiáng)它們對(duì)土壤動(dòng)物的影響，如Hodson等[50]研究發(fā)現(xiàn)，微塑料提高了蚯蚓體內(nèi)鋅的生物有效性。

3.2 土壤動(dòng)物對(duì)微塑料的影響

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤動(dòng)物能夠影響微塑料的二次分解與遷移擴(kuò)散。在大型食土動(dòng)物蚯蚓的胃中，誤食的塑料碎片可能被磨碎成微塑料[12]。多項(xiàng)研究表明[41，43]，相比于土壤或食物，在蚓糞中能檢測(cè)到更小粒徑和更高濃度的微塑料顆粒。隨著蚯蚓的活動(dòng)，其取食的微塑料顆粒能通過(guò)表面附著、排泄和死亡軀體等形式擴(kuò)散到其他區(qū)域。比如，土壤表面的微塑料被蚯蚓取食后將會(huì)通過(guò)蚯蚓的活動(dòng)帶入深層的土壤中[51]。此外，蚯蚓活動(dòng)所形成的土壤孔隙也將有利于微塑料隨著水分向下層土壤遷移。跳蟲、螨蟲等其他中型土壤動(dòng)物也可以通過(guò)表面附著，抓、推等形式加速微塑料在土壤中的遷移。Maa?等[52]研究發(fā)現(xiàn)，跳蟲能夠加速微塑料的擴(kuò)散，且不同種類跳蟲移動(dòng)微塑料的能力不同。Zhu等[53]的研究表明，相比于跳蟲與捕食螨，甲螨具有更強(qiáng)的移動(dòng)微塑料的能力。此外，個(gè)體小于0.2 cm的土壤微節(jié)肢動(dòng)物能夠移動(dòng)微塑料顆粒到9 cm以外的區(qū)域。由于跳蟲與螨蟲個(gè)體較小，能夠進(jìn)入土壤孔隙中，隨著它們的活動(dòng)也將把微塑料顆粒帶入土壤孔隙中，從而可能影響土壤水分和養(yǎng)分的遷移，同時(shí)增加微塑料進(jìn)入地下水的風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，一項(xiàng)涉及跳蟲與捕食螨的研究[53]表明，土壤食物鏈中捕食與被捕食的聯(lián)系可以增加跳蟲與捕食螨移動(dòng)微塑料的能力，暗示了在復(fù)雜土壤食物網(wǎng)中，土壤動(dòng)物對(duì)微塑料的影響需要更多地考慮動(dòng)物之間的聯(lián)系。

4 結(jié)論與未來(lái)研究方向

塑料污染是一個(gè)全球性的問(wèn)題，但目前的研究還比較分散，未來(lái)還需要一些系統(tǒng)性的思考。關(guān)于塑料污染對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，未來(lái)需要特別關(guān)注以下問(wèn)題：

（1）塑料污染對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。盡管目前已經(jīng)開(kāi)展了土壤塑料污染的研究，但是尚未深層次地探索塑料污染對(duì)土壤過(guò)程和功能的影響。未來(lái)需要探明塑料污染對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤健康的影響，探明微塑料及其成分對(duì)土壤微生物功能群和功能基因的影響。

（2）土壤生物對(duì)塑料降解的影響及其機(jī)理，特別是微生物以及土壤動(dòng)物腸道微生物對(duì)塑料降解的影響。在生物降解研究的基礎(chǔ)上，未來(lái)需要發(fā)展生物修復(fù)技術(shù)，以緩解陸地生態(tài)系統(tǒng)塑料污染的問(wèn)題。

（3）需要關(guān)注塑料制品中其他化學(xué)品對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，包括塑化劑和阻燃劑等。這些化學(xué)物質(zhì)在塑料降解過(guò)程中被釋放出來(lái)，需要探明這些化學(xué)物質(zhì)的行為、毒理效應(yīng)以及在食物鏈中的積累機(jī)制等。

（4）塑料在土壤中作為微生物生長(zhǎng)的載體，形成生物膜。未來(lái)需要探明塑料表面的微生物群落和功能，以及塑料生物膜對(duì)土壤微生物群落和過(guò)程的影響。