人工濕地去除水環(huán)境微塑料研究進(jìn)展

梁津銘，李杰，王亞娥

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 ，甘肅 蘭州 730070)

微塑料(microplastics，MPs)一詞最早由Thompson在2009年提出，指粒徑小于 5 mm的塑料纖維、碎片、顆粒[1]。目前已經(jīng)廣泛存在于水體、土壤中，由于其體積小、難降解，可在空氣、水中長距離運(yùn)輸，易被生物攝入，對(duì)環(huán)境及人體健康造成威脅。如何將微塑料從淡水環(huán)境中去除，降低其對(duì)生態(tài)環(huán)境的威脅成為了目前的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)方法主要是通過污水處理廠的二級(jí)、三級(jí)處理，通過混凝、沉淀及吸附等工藝實(shí)現(xiàn)微塑料的去除，這些方法對(duì)于一些分散較廣的非點(diǎn)源微塑料污染如農(nóng)業(yè)廢棄物、生活塑料垃圾等并不適用。人工濕地作為一種生態(tài)友好型的分散污水處理技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于生活污水的處理，但目前針對(duì)人工濕地去除微塑料的相關(guān)研究較少。本文在大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，匯總國內(nèi)外相關(guān)研究，為人工濕地去除微塑料提供參考，并對(duì)未來的研究提出展望。

1 淡水環(huán)境中的微塑料的危害

微塑料在水環(huán)境中大量存在，其毒性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)受到了大量學(xué)者的關(guān)注，目前的研究多集中于海洋環(huán)境中的微塑料污染，而針對(duì)與人類生活更為密切的淡水環(huán)境微塑料的相關(guān)研究較少。淡水環(huán)境中微塑料主要來源是人類的生產(chǎn)生活，如輪胎磨損產(chǎn)生的橡膠顆粒、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的廢舊地膜以及工業(yè)生產(chǎn)或淡水漁業(yè)使用的塑料制品，還有未經(jīng)處理的垃圾滲濾液等，這些微塑料隨雨水徑流分別匯入海洋和淡水環(huán)境中造成污染[2]。目前在淡水環(huán)境中監(jiān)測到的微塑料主要類型有聚乙烯 (PE) 、聚丙烯 (PP) 、聚苯乙烯( PS) 、聚氯乙烯(PVC) 、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯( PET)和聚苯乙烯泡沫(EPS)，主要是因?yàn)檫@幾種塑料在生產(chǎn)生活中使用較廣泛[3-4]。微塑料在淡水環(huán)境中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：一是微塑料的生物毒性，由于微塑料體積小，比表面積大，易被生物吞食和吸附，造成生物的消化道堵塞并且降低藻類的光合作用效率，導(dǎo)致藻類生長受到抑制，微塑料所浸出的增塑劑等化學(xué)物質(zhì)又會(huì)進(jìn)一步對(duì)生物造成毒理效應(yīng)[5]，微塑料還會(huì)隨著食物鏈的傳遞進(jìn)入人體內(nèi)穿透肺深部后使得呼吸系統(tǒng)易出現(xiàn)癥狀，增加癌癥發(fā)病率[6]；二是微塑料對(duì)淡水環(huán)境質(zhì)量的影響，微塑料較大的比表面積會(huì)使其更容易吸附各種疏水有機(jī)物，如多氯聯(lián)苯(PCBs)、多環(huán)芳香烴(PAHs)等物質(zhì)，疏水有機(jī)物的親脂性使微塑料難以在水中分解，導(dǎo)致水體污染[7]。微塑料中包含的多溴聯(lián)苯醚、壬基酚以及二氯苯氧氯酚(三氯生)等添加劑在生物或非生物降解作用下會(huì)釋放到水體中，影響水環(huán)境質(zhì)量[8]；三是微塑料的復(fù)合毒性，多位學(xué)者認(rèn)為微塑料可以改變水環(huán)境中重金屬(HMs)、PAHs 和PCBs 的生物有效性[9-11]，微塑料還會(huì)抑制代謝酶的效能進(jìn)而削弱 PAHs 的代謝轉(zhuǎn)化，使得PAHs在體內(nèi)積累水平增高[12]，相關(guān)研究認(rèn)為微塑料對(duì)藥物及個(gè)人護(hù)理品(PPCPs)和多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)等新型污染物的吸附會(huì)對(duì)其遷移、轉(zhuǎn)化和生態(tài)毒理效應(yīng)等產(chǎn)生影響[13-14]；四是微塑料對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響，微塑料由于其自身特性，可以成為多種細(xì)菌的運(yùn)輸載體，將細(xì)菌傳遞到新的環(huán)境中，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成威脅，微塑料還會(huì)對(duì)微生物的生態(tài)功能造成影響，進(jìn)而破壞生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，Selly等認(rèn)為聚氨酯泡沫( PUF) 和聚乳酸( PLA) 微塑料會(huì)促進(jìn)硝化與反硝化過程，聚氯乙烯(PVC)會(huì)抑制了這兩個(gè)過程，微塑料的存在破壞了濱海沉積物中的微生物群落的組成和氮循環(huán)過程[15]，Zhang等發(fā)現(xiàn)聚氯乙烯微塑料(PVC) 會(huì)顯著抑制對(duì)厭氧顆粒污泥的COD 去除率，并導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降和短鏈脂肪酸積累增加[16]。

目前對(duì)淡水環(huán)境中微塑料污染研究相較于海洋微塑料污染仍處于起步階段，相關(guān)研究多在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，對(duì)微塑料在淡水環(huán)境中的賦存及遷移轉(zhuǎn)化研究較少。未來的研究應(yīng)關(guān)注微塑料與新型污染物間復(fù)合污染以及微塑料在真實(shí)環(huán)境中的生態(tài)毒理性特征。

2 淡水環(huán)境中微塑料的去除方法

針對(duì)微塑料的污染現(xiàn)狀及環(huán)境效應(yīng)的相關(guān)研究較多，淡水環(huán)境中微塑料去除的研究仍處于起步階段。吳君怡等對(duì)國內(nèi)外給、污水廠對(duì)微塑料去除效果進(jìn)行研究后的結(jié)果表明，二級(jí)以上污水處理工藝對(duì)微塑料的總?cè)コ士蛇_(dá) 90% 以上，國內(nèi)二級(jí)以上污水處理工藝對(duì)微塑料的總?cè)コ蕿?53.6% ～99.5%。格柵攔截、表層刮渣、沉淀、過濾等工藝可以實(shí)現(xiàn)微塑料的有效去除，在給水廠中，沉淀、氣浮和混凝工藝在纖維狀微塑料去除方面起重要作用[17]。但傳統(tǒng)的去除工藝在應(yīng)用過程中存在著一定的問題，一是這些工藝多集中于城市污水處理廠，在農(nóng)村地區(qū)非點(diǎn)源微塑料污染的去除方面存在欠缺，而農(nóng)村地區(qū)往往更靠近城市水源地，微塑料污染帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)更大；二是傳統(tǒng)工藝中的機(jī)械攪拌、曝氣等過程可能會(huì)對(duì)微塑料具有碎化作用，進(jìn)而產(chǎn)生更多粒徑低于檢測值的微塑料，加大對(duì)微塑料去除的難度和成本[17]。

2.1 預(yù)處理及一級(jí)處理

預(yù)處理一般指通過格柵、沉砂池等工藝對(duì)微塑料進(jìn)行初步去除，預(yù)處理對(duì)微塑料的去除率可達(dá)到30%～60%。一級(jí)處理是通過初沉池(澄清池)對(duì)微塑料進(jìn)行去除，可以去除45%～75%的微塑料[18-19]，格柵攔截由于孔隙較大，因此對(duì)微塑料去除效果一般，澄清池主要是將漂浮的微塑料表面進(jìn)行脫脂后進(jìn)行處理，由于微塑料本質(zhì)是固體懸浮物，部分微塑料還會(huì)附著在污水中的其他懸浮物上，因此，沉淀工藝有較好的微塑料去除效果。

2.2 二級(jí)處理

二級(jí)處理作為污水處理廠的核心工藝，是通過活性污泥、生物膜以及二次沉淀池對(duì)微塑料進(jìn)行進(jìn)一步的去除。絮凝狀的污泥可以聚集微塑料，在二沉池中通過沉降進(jìn)行去除，纖維狀的微塑料更易被污泥截留得到更高的去除率。通過添加絮凝劑可以進(jìn)一步提高微塑料的去除率，Ma等的研究認(rèn)為鋁鹽混凝劑比鐵鹽混凝劑的效果更佳擁有更好地微塑料去除效果[20]。

2.3 三級(jí)處理

污水處理廠的三級(jí)處理主要通過快速砂濾、膜生物反應(yīng)器、臭氧氧化、氣浮等工藝進(jìn)一步去除污水中的微塑料，現(xiàn)有的研究表明，三級(jí)處理對(duì)顆粒狀的微塑料去除效果較好。

微塑料作為一種難降解的污染物，目前尚未有針對(duì)其開發(fā)的去除工藝，主要還是依靠傳統(tǒng)的污水處理工藝進(jìn)行去除。化學(xué)及生物作用很難將其降解。以混凝、沉淀及過濾為主的工藝在實(shí)踐和研究中取得了較好的去除效果，主要原因是因?yàn)槲⑺芰系奶匦耘c懸浮物相類似。但目前污水廠常用的二級(jí)處理工藝中所使用的曝氣裝置會(huì)使得微塑料進(jìn)一步碎化進(jìn)而影響后續(xù)的處理效果，加大處理難度，PAC、PAM等混凝劑的添加可能會(huì)造成二次污染。并且目前的微塑料去除主要以污水處理廠為主，針對(duì)農(nóng)村地區(qū)分散污水中微塑料去除的研究較少[21]。針對(duì)微塑料在淡水環(huán)境中的去除應(yīng)當(dāng)尋找一種不造成二次污染且適合分散污水處理的工藝。

3 人工濕地去除微塑料

人工濕地是一種已被廣泛實(shí)踐證明具有成本低、效果好、適宜于分散污水處理，通過模擬自然濕地的原理并加以人工強(qiáng)化的污水處理系統(tǒng)，主要通過沉淀、過濾、吸附、離子交換、植物吸收、微生物轉(zhuǎn)化與降解、沉淀析出和泥炭加積等作用去除污染物，人工濕地對(duì)懸浮物(SS)較高的去除率為人工濕地去除微塑料提供了可能性[22]。

Wei等的研究認(rèn)為人工濕地在微塑料的去除中扮演著非常重要的角色，在使用潛流人工濕地作為二級(jí)處理時(shí)，對(duì)微塑料的去除率最高可達(dá)100%，平均去除率為52.4%[23]。濕地內(nèi)部厭氧-好氧交替的環(huán)境以及基質(zhì)的吸附、微生物和濕地動(dòng)物的降解都有利于微塑料在濕地中的去除。相比于傳統(tǒng)工藝，人工濕地處理微塑料的優(yōu)勢一是可以作為低成本的深度處理工藝，對(duì)污水廠尾水中的微塑料進(jìn)行進(jìn)一步去除；二是人工濕地可以適應(yīng)于水量較小的分散式污水處理[22]。

國內(nèi)外現(xiàn)階段針對(duì)人工濕地去除微塑料的研究仍處于起步階段，在相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從植物、基質(zhì)和微生物以及濕地動(dòng)物四個(gè)方面對(duì)人工濕地去除微塑料的可能性進(jìn)行分析。

3.1 植物去除微塑料

人工濕地內(nèi)的植物通過同化作用將N、P等營養(yǎng)物質(zhì)吸收到體內(nèi)轉(zhuǎn)化為自身的營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)污水進(jìn)行凈化，同時(shí)，植物根系及其所釋放的氧氣和分泌物(有機(jī)酸、植物營養(yǎng)素、螯合素等)為微生物生長提供了附著載體和營養(yǎng)物質(zhì)。目前針對(duì)人工濕地植物去除微塑料的研究較少，當(dāng)微塑料通過濕地時(shí)，挺水植物的莖葉可以過濾較大粒徑的顆粒，小粒徑的顆?？梢愿街谒参矬w表或水底各種基質(zhì)表面的微型生物群落上；植物還可以通過降低水流速度，使得較大尺寸的微塑料顆粒得以沉降；根部分泌物中的單寧酸、沒食子酸、植物營養(yǎng)素和植物螯合素等已被證明可以參與重金屬的循環(huán)與去除[24]，這些植物根系分泌物能否通過改變微塑料的理化性質(zhì)以提供更好的去除效果目前尚缺乏相關(guān)研究證明。

3.2 基質(zhì)去除微塑料

基質(zhì)是人工濕地去除污染物關(guān)鍵部分，基質(zhì)對(duì)進(jìn)入濕地的污水起到過濾、吸附的作用。附著在基質(zhì)表面上的微生物群落通過分泌胞外聚合物(EPS)可以提高對(duì)微塑料的吸附效果，微塑料被附著在生物膜上隨膜的脫落完成去除過程。比表面積大、孔隙率小的填料在為微生物提供更多的附著位點(diǎn)同時(shí)還可以吸附更多的微塑料，Wei等通過研究證明孔隙率較小的基質(zhì)擁有更好地微塑料去除效果，基質(zhì)的直徑和孔隙率與微塑料的去除密切相關(guān)[23]。由于微塑料表面吸附新型污染物可能會(huì)導(dǎo)致其理化性質(zhì)的改變，在建設(shè)人工濕地時(shí)可根據(jù)微塑料及其表面吸附的性質(zhì)而選擇可以與微塑料發(fā)生離子交換和氧化還原等反應(yīng)的基質(zhì)以提高對(duì)微塑料的去除效果。徐豐果等發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中如果含F(xiàn)e(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)較多時(shí)，二者可以通過溶解和吸水發(fā)生水解，在水解過程中發(fā)生聚合反應(yīng)，生成多種絡(luò)合物，這些絡(luò)合物通過點(diǎn)中和、吸附等作用凝固沉淀[25]，這種沉淀作用有利于微塑料在基質(zhì)中的去除。馬玉萍等認(rèn)為含鐵基質(zhì)中的三價(jià)鐵氧化物在沉積，遷移過程中產(chǎn)生的亞鐵離子可與污水中的磷酸鹽離子形成羥基絡(luò)合物，這些羥基絡(luò)合物可以通過吸附架橋等作用增強(qiáng)其對(duì)多種污染物的去除效果[26]。

3.3 微生物降解微塑料

一般認(rèn)為人工濕地中的微生物以細(xì)菌、放線菌和真菌為主，其中細(xì)菌數(shù)量最多，細(xì)菌中的優(yōu)勢菌群一般是具有脫氮功能的氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌。現(xiàn)有的研究表明，盡管微塑料在環(huán)境中具有一定的抗降解能力，但仍有一些微生物可對(duì)微塑料進(jìn)行降解去除[27]。微生物降解微塑料的原理是通過附著在微塑料表面的微生物在微塑料的碳鏈上加入可以被微生物結(jié)合和降解的官能團(tuán)或是通過胞外酶解離微塑料聚合物的長碳鏈后再通過生物分泌的各種酶將微塑料分解為分子量低的單體后被胞內(nèi)酶進(jìn)一步代謝降解[28]。Yuan和Sánchez等發(fā)現(xiàn)真菌其菌絲可以更牢固的附著在微塑料的表面并且可以促進(jìn)微塑料中羰基、羧基和酯基等化學(xué)鍵的形成，進(jìn)而降低微塑料的疏水性，取得對(duì)微塑料更好的降解效果[27,29]。但單一菌種對(duì)微塑料的去除作用有限，多種真菌和細(xì)菌組成的混合菌群具有更好的微塑料降解效果，人工濕地內(nèi)部厭氧、好氧交替的環(huán)境是多種細(xì)菌和真菌共存的理想環(huán)境，濕地中常見的桿菌屬或芽孢桿菌屬的細(xì)菌就可以通過分泌蛋白酶的方式對(duì)微塑料進(jìn)行降解[30]。

微生物除了通過以上的方式降解微塑料外，由于微塑料較大的比表面積，其在濕地內(nèi)部還可以為微生物提供生長代謝場所，以含碳物質(zhì)為主的微塑料以及其自身吸附的一些有機(jī)物質(zhì)還可以作為碳源被微生物吸收利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微塑料的降解[31]。微生物之間的共代謝作用是否有助于降解微塑料目前缺乏相關(guān)的研究證明，目前針對(duì)微生物降解微塑料的研究多集中于聚乙烯的降解，微生物對(duì)其他微塑料是否具有類似的降解效果還需進(jìn)一步研究。

3.4 動(dòng)物降解微塑料

底棲動(dòng)物也是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，底棲動(dòng)物通過攝食、爬行、筑穴等生物擾動(dòng)作用可以改變沉積物的物理和化學(xué)性質(zhì)，影響污染物歸趨，使系統(tǒng)中顆粒物更易被分解利用，進(jìn)而改變污染物的傳質(zhì)和去除，還可以通過影響微生物活性來提高濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果。人工濕地中常見的底棲動(dòng)物和一些大型無脊椎動(dòng)物對(duì)微塑料都具有一定的降解效果。Amobony等已證明蚯蚓幼蟲可以吞食并在體內(nèi)微生物的作用下降解多種塑料聚合物[28]，Wang等通過實(shí)驗(yàn)證明大型無脊椎動(dòng)物也可以攝入微塑料，具有去除人工濕地內(nèi)微塑料的潛力[22]。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)中存在的一些昆蟲也可以通過采食塑料制品，并將這些物質(zhì)作為碳源吸收利用，以實(shí)現(xiàn)微塑料的去除[32]，黃粉蟲、大麥蟲和蠟螟幼蟲等多種昆蟲已被證明具有采食、降解塑料的能力[33-34]，這些昆蟲的腸道菌群中均存在著具有降解微塑料潛能的相關(guān)細(xì)菌。

3.5 存在的問題

雖然國內(nèi)外已有多項(xiàng)研究證明人工濕地具有去除微塑料的潛力，部分濕地對(duì)微塑料去除率可以達(dá)到90%以上，但相關(guān)研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，并且實(shí)驗(yàn)周期均較短，人工濕地對(duì)微塑料的去除是否具有可持續(xù)性還需要通過實(shí)踐進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證?；|(zhì)中吸附、沉淀的微塑料在長時(shí)間運(yùn)行后是否存在著解吸釋出造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)目前尚未有相關(guān)的研究證實(shí)。在濕地運(yùn)行方面，目前尚未有微塑料造成人工濕地堵塞的相關(guān)報(bào)道，Wang等認(rèn)為進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的微塑料僅占濕地總懸浮物負(fù)荷的0.2%，并不是造成濕地堵塞的主要原因[22]。

部分研究認(rèn)為微塑料及其所吸附的新型污染物會(huì)微生物造成脅迫作用進(jìn)而影響人工濕地內(nèi)的氮循環(huán)過程，Ma等通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，1 mg/L和10 mg/L 的聚乙烯微塑料對(duì)參與反硝化作用的酶活性和電子傳遞系統(tǒng)活性均會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，10 mg/L的聚乙烯微塑料還會(huì)顯著抑制硝化酶的活性，同時(shí)，聚乙烯微塑料對(duì)氮轉(zhuǎn)化相關(guān)基因的相對(duì)豐度也起抑制作用[35]。

微塑料對(duì)植物具有的潛在抑制作用可能會(huì)影響濕地的正常運(yùn)行，亞微米級(jí)甚至微米級(jí)的塑料通過穿透植物的根系進(jìn)入植物體內(nèi)積累進(jìn)而引起植物的活性氧應(yīng)激反應(yīng)；微塑料在動(dòng)物體內(nèi)通過循環(huán)系統(tǒng)會(huì)誘發(fā)體內(nèi)器官的氧化應(yīng)激、炎癥和代謝紊亂等反應(yīng)進(jìn)而影響生物的正常生理功能。但相關(guān)研究均在實(shí)驗(yàn)室條件下運(yùn)行，所采用的微塑料濃度遠(yuǎn)高于實(shí)際進(jìn)入濕地系統(tǒng)的濃度，因此，在實(shí)際應(yīng)用的條件下，濕地內(nèi)的生物是否會(huì)受到微塑料的脅迫仍需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了微塑料在淡水環(huán)境中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及其在城市污水處理廠中常見的去除方法和效果，并提出了將人工濕地作為去除分散式污水中微塑料的解決方法，從濕地植物、基質(zhì)、微生物及動(dòng)物多個(gè)方面分析了人工濕地去除微塑料的可能性和潛力，并討論了人工濕地去除微塑料可能存在的問題。

未來人工濕地去除微塑料的研究可以著重于以下幾個(gè)方面：(1)由于微塑料在濕地中的沉淀、吸附作用，長期運(yùn)行時(shí)可能加速濕地的堵塞，為保證處理效果及延長濕地壽命，能否使用模塊化濕地對(duì)微塑料進(jìn)行去除，濕地堵塞后更換相應(yīng)部分即可恢復(fù)濕地對(duì)微塑料及其他污染物的處理效果，能否通過在濕地中投加蚯蚓等底棲動(dòng)物以提高人工濕地對(duì)微塑料的去除效果還需通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證;(2)針對(duì)濕地內(nèi)部降解微塑料微生物的研究目前仍處于起步階段，后期若能從宏基因組層面對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行研究，揭示多種菌群之間通過協(xié)同作用去除微塑料的機(jī)理，并分離培養(yǎng)出微塑料高效降解菌可以進(jìn)一步提高濕地對(duì)微塑料的去除效果;(3)微塑料對(duì)濕地系統(tǒng)中的硝化、反硝化細(xì)菌究竟起抑制還是促進(jìn)作用目前尚未有明確結(jié)論，微塑料是否會(huì)抑制濕地中N、P等其他污染物的去除效果以及微塑料對(duì)濕地中微生物的毒性機(jī)制還需要進(jìn)一步研究;(4)微塑料對(duì)濕地內(nèi)的微生物和動(dòng)植物的脅迫作用和相關(guān)毒理性研究所采用的微塑料濃度大多高于實(shí)際環(huán)境中的濃度，今后的研究應(yīng)著眼于自然環(huán)境中的微塑料濃度對(duì)微生物及動(dòng)植物的脅迫作用進(jìn)行研究和討論。