土壤微塑料問題研究進展

李春雪,郭曉茜,陳 宇,韓雨庭,吳星怡,劉 艷

(臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276000)

1 引言

土壤中微塑料污染問題[1]已被列為環(huán)境與生態(tài)領(lǐng)域的第二大科學(xué)問題[2]，且每年輸入耕地土壤中的微塑料遠超過向海洋中的輸入量，土壤可能是比海洋更大的塑料儲藏庫[30]。我國對微塑料污染的研究近幾年開始發(fā)展，現(xiàn)在對于土壤中微塑料的污染研究較少，缺少科學(xué)數(shù)據(jù)，故研究土壤中微塑料遷移可以為未來研究土壤微塑料提供基礎(chǔ)的科學(xué)依據(jù)。

2 土壤中微塑料的來源

微塑料通過長期的農(nóng)用地膜殘留[3]、污泥和有機肥的施用、地表水灌溉和大氣沉降等方式進入土壤環(huán)境,從而危害土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康[4]。此外，微塑料可被生物攝入進入食物鏈而對生物和人類食物的安全構(gòu)成威脅。

迄今，為數(shù)不多的幾項研究表明，土壤環(huán)境中存在相當(dāng)高豐度的微塑料。Fuller和Gautam對澳大利亞悉尼某工業(yè)區(qū)土壤進行調(diào)查，結(jié)果顯示該區(qū)域微塑料含量最高可達6.7%[5]；在瑞士平原地區(qū)發(fā)現(xiàn)90%的土壤樣品存在微塑料污染；墨西哥東南部的傳統(tǒng)家庭菜園中也檢測到微塑料污染，豐度為2770個/kg，主要成分以聚乙烯和聚苯乙烯為主[6]；有些污染嚴重的地區(qū)土壤微塑料含量甚至高達60%。我國土壤環(huán)境中同樣也檢測到了微塑料污染。上海郊區(qū)菜地中微塑料的主要成分為聚丙烯和聚乙烯，表層土(0～3 cm)和深層土(3～6 cm)的含量分別為(78.00±12.91)個/kg和(62.50±12.97)個/kg[7]；我國黃土高原檢出微塑料含量為<0.54 mg/kg[7]；我國云南省西南滇池河岸森林緩沖帶中檢測到主要成分以聚乙烯和聚丙烯為主的微塑料污染，豐度為(7100～42960)個/kg[8]。已有證據(jù)表明，我國土壤環(huán)境中存在著微塑料污染，但是現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)仍較為缺乏而不足以刻畫微塑料污染的分布特征[9]。

3 土壤中微塑料的檢測

3.1 目檢法

到現(xiàn)在為止目視檢測法是最常用，最基本的微塑料鑒別技術(shù)。是一種選擇微塑料顆粒并經(jīng)由肉眼直接觀察或借助顯微鏡進行分類的方式。目檢法可以分析各種介質(zhì)中的微塑料，目測選用的顯微鏡放大倍數(shù)在10～16倍范圍之內(nèi)，如果是顆粒太小那么必須用放大倍數(shù)更高的解剖顯微鏡或大尺寸的熒光顯微鏡，掃描電鏡則可辨別更小的塑料顆粒。使用目檢法很簡單，但是精度不高，而且會產(chǎn)生主觀觀察作用。此外，目視檢測法的準確性會受到諸如顏色和形狀等微型特征的影響。基于這個原因，一些科研人員利用親脂類著色劑(如尼羅紅)對顆粒染色，以幫助識別[10]?，F(xiàn)在有一個目檢微塑料操作程序，應(yīng)用此程序進行檢測小于500 μm的顆粒的誤判幾率過高，不適宜使用目視檢測法。因此，在微塑料的檢測中并不建議將目視檢測法作為一種獨立的鑒別塑料顆粒的方法。

3.2 傅里葉紅外光譜法

傅里葉紅外光譜法( FTIR) 是目前識別微塑使用顯微傅里葉變換紅外光譜法(μ-FTIR)可對20～300 μm的微塑料進行分析。當(dāng)前FTIR能識別最小粒徑的顆粒樣品為20 μm，所以顯微傅里葉變換紅外光譜法檢測的粒徑范圍在之間20～300 μm。在檢測前要對樣品徹底干燥，若不進行干燥處理,樣品中的水分會干擾檢測準確度并且降低識別效率。

采用常規(guī)“衰減全反射”模式可以檢測粒徑≥300 μm的顆粒，分析可在1 min內(nèi)完成且粒徑精度高；FTIR具備精確辨認塑料顆粒種類的能力，且不受熒光物質(zhì)的干擾，另外還可自動完成對濾膜的分析。不僅如此，若樣品材料輕薄且能夠被紅外線穿透，通過透射模式可以得到樣品材料的高分辨圖譜；而對于不透明且材質(zhì)較厚的材料，要通過發(fā)射模式進行分析。

3.3 掃描電鏡法

ESEM-EDS主要是對塑料顆粒元素構(gòu)成和表面形態(tài)進行分析。掃描電鏡法的分辨率較高，但該方法也會產(chǎn)生電荷效應(yīng)。目前此法廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，例如，材料表面形態(tài)特征分析、微生物表面形態(tài)鑒定等多個領(lǐng)域。

3.4 拉曼光譜法

利用拉曼光譜法與顯微技術(shù)可對粒徑大于1 μm的塑料顆粒進行鑒定，由于塑料聚合物本身具有特征拉曼光譜，所以可通過對比譜庫來分析聚合物的成分。在參數(shù)設(shè)置上，最常見的波長是532 nm和785 nm激光，觀測方式包括人工手動選點和光譜成像，然而，一些研究者指出拉曼光譜成像需要大量時間(可高達38 h)[12]，并且拉曼光譜法不適于檢測含有熒光物質(zhì)的樣品，因為樣品中的色素和添加劑產(chǎn)生的熒光物質(zhì)會干擾正常檢測。然而傅里葉變換紅外光譜法可以彌補拉曼光譜法這個缺點，所以這2種光譜法可提供關(guān)于微塑料樣品的互補信息，得到的信息更加全面。

3.5 熱解分析法

塑料聚合物熱裂解生成特征熱解圖譜，因此可以采用熱解-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)( py-GC/MS) 可分析微塑料的化學(xué)成分[13]。因為不同的聚合物可能產(chǎn)生類似的熱解產(chǎn)物，所以py-GC/MS存在計算錯誤的風(fēng)險，還有一點，py-GC/MS的可接受樣品量僅0.5 mg，因此，py-GC/MS不能對復(fù)雜樣品檢測。萃取-熱脫附-氣相色譜/質(zhì)譜技術(shù)(TED-GC/MS)[14]與 py-GC/MS 相比，它的樣品可接受量可達100 mg，且鑒別結(jié)果不受加熱引起的降解影響，但其在環(huán)境樣品中的分析尚處于未知探索中，具體實用性要通過檢測和實驗進行證實。值得注意的是，熱分析法與光譜法不同，熱分析法會對檢測樣品造成損壞，并且只能得到聚合物的總質(zhì)量分數(shù)，不能得到微塑料顆粒的數(shù)量及粒徑分布的相關(guān)信息。

4 土壤中微塑料的分離方法

土壤微塑料受土壤質(zhì)地、有機質(zhì)及團聚體構(gòu)造的影響，與水和沉積物相比在土壤中分離檢測微塑料的難度更大。

4.1 密度分離法

密度分離法利用沉積物樣品中目標(biāo)組分與雜質(zhì)密度差異來實現(xiàn)輕組分微塑料與重組分的雜質(zhì)分離。密度分離法的步驟：向飽和鹽溶液中到入沉積物，攪拌均勻靜置一段時間使沉積物重新沉降，而質(zhì)量較輕的微塑料顆粒仍懸浮在溶液中，若忽略表面附著物，微塑料的密度為0.8～1.4 g/cm3[15]，但土壤中其它沉積物的密度一般大于2 g/cm3，所以可以采用密度分離法對沉積物中的微塑料顆粒進行分離。在飽和溶液的使用方面，通常使用的NaCl飽和溶液主要用于低密度微塑料的提取，由于NaCl飽和溶液的密度僅為1.2 g/cm3所以不適用于提取密度高的塑料顆粒。而飽和NaI溶液與飽和ZnCl2溶液的密度可達1.5～1.8 g/cm3，可以高效率的提取高密度塑料顆粒。

4.2 篩分-過濾法

篩分-過濾法使用小孔徑網(wǎng)篩來篩選塑料顆粒，但該方法適用于測量1 μm的樣品顆粒，若是顆粒粒徑太小篩分過濾時容易發(fā)生堵塞。將不同孔徑的篩網(wǎng)串聯(lián)，對微塑料顆粒進行分類。通常情況下，將沉積物樣品先用較小孔徑的不銹鋼或銅篩網(wǎng)過濾，除去粒徑較大的顆粒與雜質(zhì)，若要使顆粒按粒徑分別處理，可以使用不同孔徑的篩網(wǎng)來實現(xiàn)，截留物各用清水沖洗下來保留用于檢測[16]。

4.3 加壓流體萃取法

粒徑小于30 μm的塑料制品可使用加壓流體萃取法從土壤中分離出來，加壓流體萃取法適用于PE、PVC、PP等塑料[17]。在亞臨界溫度和壓力條件下，從固體中分離半揮發(fā)性有機化合物。在實驗室中分離土壤、沉淀物、廢棄物中有機污染物一般使用此方法。方法流程：將樣品投入萃取池中，樣品先通過溶劑混合閥，利用高效液相泵將溶劑抽進萃取池，當(dāng)萃取池中的壓力達到預(yù)先設(shè)定值時，液相泵關(guān)閉，待系統(tǒng)溫度達到靜萃取要求時，開始靜萃取，靜萃取結(jié)束之后，再用高壓氮氣將溶劑吹掃入收集瓶保存。最后用紅外光譜測定干燥的殘留物以確定塑料類型。

4.4 消解法

使用消解法前要用酸消解、堿消解或酶消解進行預(yù)處理。因為樣品中的生物有機成分對消解會產(chǎn)生一定影響。酸消解是利用酸性溶液對微塑料樣品進行消解處理，常使用的酸有HCl、HNO3、HClO4及其混合酸等。Deforges等[18]的研究結(jié)果表明，HNO3在60 ℃消解30 min的情況下就能夠完全消解生物樣品，而使用HCl：HNO3的混合物處理樣品仍會有殘留。由于不同類型微塑料的化學(xué)耐受性不同，尼龍纖維在酸性條件下會被完全破壞，而聚苯乙烯和尼龍釣線等則可以保留下來。另外，溫度、時間以及消解液的組成也會影響樣品中的微塑料的回收率，所以在采用消解法進行樣品預(yù)處理，溫度小于等于90 ℃，消解時間較短，目的就是避免樣品中微塑料損失太多。Cole等[19]研究并且比較了3種消解方法對海洋生物的消解效果，經(jīng)過研究得到的結(jié)果表明HCl在消解生物樣品時會消解一些微塑料顆粒，低濃度NaOH溶液在室溫條件下對樣品中雜質(zhì)的消解率較高，而高濃度的NaOH則會損壞部分微塑料。酶消解可以不破壞微塑料細小顆粒消解掉海洋樣品中超過97%的微小浮游生物。

5 土壤微塑料的影響

微塑料疏水性強，土壤環(huán)境中的微塑料是多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥、除草劑等疏水性有機物理想的載體，微塑料大量存在于土壤中可直接影響持久性有機污染物在土壤環(huán)境中的分配，直接威脅土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康。

5.1 微塑料對土壤理化性質(zhì)的影響

微塑料對土壤的影響主要體現(xiàn)在土壤理化性質(zhì)方面。Huffer 等[20]研究了4種微塑料與7種脂肪族物質(zhì)的吸附行為,研究發(fā)現(xiàn)，微塑料的吸附系數(shù)與其疏水性密切相關(guān)。Seidensticker等[21]對2種微塑料和不同污染物在3種不同pH值條件下的吸附作用研究發(fā)現(xiàn)，疏水性化合物對微塑料的吸附強于中性物質(zhì)。Teuten等[22]研究發(fā)現(xiàn),土壤中塑料上的有機污染物濃度遠高于土壤環(huán)境，進一步說明了微塑料持久性有機污染物對土壤區(qū)域系統(tǒng)的威脅。

微塑料進入土壤環(huán)境后會直接影響土壤的理化性質(zhì)及物質(zhì)循環(huán)。微塑料進入土壤環(huán)境中與土壤環(huán)境中其他有機污染物結(jié)合以后，因為粒徑小，比表面積大，塑料顆粒的吸附能力會明顯增強，改變了土壤的理化性質(zhì)，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康[31]。Machado等[32，33]探討了4種常見微塑料對土壤結(jié)構(gòu)和微生物功能的影響，經(jīng)過5周的研究后得出結(jié)論。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同種類的微塑料產(chǎn)生的影響不同，例如聚酯能夠降低土壤水穩(wěn)性團聚體，而聚乙烯則顯著提高了土壤水穩(wěn)性團聚體的量，而水穩(wěn)性團聚體的減少顯著降低了土壤微環(huán)境的多樣性，是土壤結(jié)構(gòu)貧化的1種表現(xiàn)。

5.2 微塑料對土壤動物的影響

研究表明，在土壤溶液及其周圍土壤環(huán)境中微塑料對其中的重金屬、有機污染物及病原菌有吸附作用。動物在食入載有污染物的微塑料后，就進入了食物鏈，這些污染物自身帶有的毒性會直接對動物的生理產(chǎn)生影響，通過食物鏈/網(wǎng)的積累，最后構(gòu)成了土壤生態(tài)系統(tǒng)的威脅。微塑料的留存時間越長，在食物鏈中積累的數(shù)量越多，對土壤動物的危害也越大。

蚯蚓能在土壤中自由活動將土壤表層的微塑料顆粒帶入土壤深層，擴大了微塑料污染的面積[27]。目前研究較多的土壤動物是蚯蚓，微塑料經(jīng)蚯蚓攝食后，進入體內(nèi)可造成腸道損傷，容易在體內(nèi)結(jié)塊，影響蚯蚓正常進食和排泄，嚴重影響蚯蚓成長和存活。PE微塑料對蚯蚓組織病理學(xué)損傷和免疫系統(tǒng)影響明顯。微塑料還可以有效地被線蟲攝取[28，29]。微塑料對線蟲的主要影響是腸道損傷和氧化損傷，使線蟲的成活率、體長和繁殖能力顯著下降，在對蚯蚓、線蟲的研究基礎(chǔ)上，對其他土壤動物影響的相關(guān)研究也在不斷深入，如足目動物等。由于微塑料檢測手段有限，限制了微塑料對土壤動物影響的深入研究，而且微塑料本身吸附的有毒有害物質(zhì)是否會對土壤動物產(chǎn)生毒害，還有待進一步開展研究。

6 結(jié)論

土壤中微塑料的主要來源于農(nóng)用地膜的殘留，有機肥的施用和污水灌溉，土壤微塑料的檢測方法有目檢法、傅里葉紅外光譜法、掃描電鏡法、拉曼光譜法、熱解分析法。分離方法有密度分離法、篩分-過濾法、加壓流體萃取法、消解法。微塑料本身具有污染性，會對土壤理化性質(zhì)造成影響并且對土壤中的生物產(chǎn)生毒害，甚至進入食物鏈對人類的健康造成威脅。