城鄉(xiāng)景觀中土壤生態(tài)系統(tǒng)微塑料的來(lái)源、遷移特征及其風(fēng)險(xiǎn)

李 敏,楊 磊,趙方凱,陳利頂, *

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

塑料制品被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的同時(shí)也產(chǎn)生了大量塑料垃圾,報(bào)道顯示全球塑料垃圾僅有9%被回收利用,12%被焚燒,絕大部分則被堆積在垃圾填埋場(chǎng)或自然環(huán)境中,并且預(yù)測(cè)表明至2050年全球約有12000 Mt塑料垃圾將被排放到環(huán)境中[1]。大量塑料廢棄物在環(huán)境中經(jīng)過(guò)各種物理、化學(xué)或生物作用形成微塑料顆粒,可以通過(guò)多種途徑直接或間接地危害生態(tài)系統(tǒng)安全和人類健康[2]。目前微塑料對(duì)海洋、淡水、河口等水生生態(tài)系統(tǒng)的影響受到了較為普遍的關(guān)注[3—5]。然而海洋環(huán)境中的大部分塑料顆粒(約每年4.8—12.7 Mt)來(lái)源于陸地生態(tài)系統(tǒng)[6],并且排放到陸地生態(tài)系統(tǒng)中的微塑料約為排放到海洋中的4—23倍[7]。微塑料在土壤中具有普遍性和持久性[8],但目前對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的研究卻相對(duì)較為有限[2]。

微塑料不僅能改變土壤的物理、化學(xué)性質(zhì),還能與土壤生物(動(dòng)物、植物和微生物)相互作用并影響其生態(tài)功能[2]。土壤微塑料作為城鄉(xiāng)景觀中的一種新型污染物,其來(lái)源、遷移特征及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的影響已成為當(dāng)前公眾和科學(xué)研究共同關(guān)注的焦點(diǎn),但目前還有諸多問(wèn)題有待系統(tǒng)和深入地探討。土壤作為一個(gè)復(fù)雜的綜合體,受到自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多重因素的共同影響,特別是在快速城市化過(guò)程中,人類活動(dòng)不斷加劇,人類活動(dòng)范圍不斷擴(kuò)張,形成了城市—城郊—鄉(xiāng)村這一具有復(fù)雜格局和環(huán)境梯度的城鄉(xiāng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),進(jìn)一步影響了土壤生態(tài)過(guò)程及其功能[9]?，F(xiàn)有研究表明,土壤環(huán)境中微塑料的來(lái)源及其組成與城鄉(xiāng)景觀環(huán)境特征、人類活動(dòng)以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)格局密切相關(guān)。例如,對(duì)全國(guó)19個(gè)省份的農(nóng)業(yè)土壤微塑料研究發(fā)現(xiàn),土壤微塑料的組成與農(nóng)田覆膜基本一致[10]；對(duì)武漢城郊地區(qū)土壤微塑料的調(diào)查發(fā)現(xiàn),這一區(qū)域土壤微塑料的豐度為320—12560個(gè)/kg,交通、生活垃圾和農(nóng)業(yè)活動(dòng)是城郊地區(qū)土壤微塑料污染的主要來(lái)源[11]。從復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的角度來(lái)識(shí)別土壤微塑料在城鄉(xiāng)景觀中的分布、來(lái)源、遷移特征、污染狀況及其生態(tài)和環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于維護(hù)土壤健康、提升土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要的科學(xué)意義?；诖?本文梳理了城鄉(xiāng)景觀中土壤微塑料的來(lái)源、遷移過(guò)程及其特征,分析了土壤微塑料的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望,以期為城鄉(xiāng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤生態(tài)安全與人居環(huán)境健康提供科學(xué)參考。

1 城鄉(xiāng)不同景觀中土壤微塑料的來(lái)源及其特點(diǎn)

城鄉(xiāng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中土壤微塑料的來(lái)源、分布及其遷移過(guò)程受到自然因素和人類活動(dòng)的共同作用,尤其是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)因素的影響,使得城鄉(xiāng)景觀中土壤微塑料的來(lái)源及其特點(diǎn)存在較大的差異。

1.1 城市區(qū)域

城市土壤中微塑料主要來(lái)源于生活廢水再利用、大氣沉降[12]、輪胎磨損[13]等。在城市環(huán)境中,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高,人口數(shù)量大,產(chǎn)生了大量生活廢水,而生活廢水中包含著大量微塑料顆粒。研究表明,人造合成纖維紡織品在洗衣過(guò)程中受到機(jī)械和化學(xué)作用會(huì)釋放出微纖維[14],家用洗衣機(jī)對(duì)衣物進(jìn)行洗滌的過(guò)程中,每公斤衣物釋放的微纖維量在124—308 mg[15]。另外,球形、螺紋或者不規(guī)則形狀的微塑料顆粒常被添加到個(gè)人護(hù)理用品中,再通過(guò)洗滌等途徑進(jìn)入生活廢水中[16]。城市生活廢水經(jīng)過(guò)一定的處理后被用于灌溉土地[17],對(duì)上海市大型污水處理廠的研究表明,其對(duì)生活污水中微塑料的去除率僅為60%左右[18],這些殘留的微塑料會(huì)通過(guò)廢水再利用這一途徑進(jìn)入到城市土壤環(huán)境中。大氣沉降也是微塑料進(jìn)入城市土壤的重要方式[12]。研究發(fā)現(xiàn)每年通過(guò)大氣沉降到巴黎的纖維類微塑料大約有3—10t,并且城市中微纖維的沉降量要比城郊高[19]。在東莞、上海、漢堡等城市大氣沉降物中也檢測(cè)到了微塑料的存在[20—21]。城市街塵中也普遍存在微塑料顆粒,例如伊朗Asaluyeh(60000個(gè)/kg)[22]、Bushehr(21000—165800個(gè)/kg)[23]、Tehran(2766—20166個(gè)/kg)[24]等地區(qū)的街塵中均發(fā)現(xiàn)了微塑料,并且豐度較大,而其他地區(qū)如澳大利亞Victoria(21—529個(gè)/kg)[25]、日本Kusatsu(2500個(gè)/kg)、尼泊爾Kathmandu(3900個(gè)/kg)、越南Da Nang(4100個(gè)/kg)[26]等地區(qū)街塵中檢測(cè)到的微塑料豐度則相對(duì)較低。道路上輪胎磨損產(chǎn)生的橡膠微?？赏ㄟ^(guò)大氣沉降或地表徑流等形式進(jìn)入道路及其周邊土壤環(huán)境中[26—27],并且受城鄉(xiāng)交通流量差異的影響城市街塵中微塑料的豐度要遠(yuǎn)高于鄉(xiāng)村街塵,使得城市土壤中通過(guò)地表徑流遷移導(dǎo)致的微塑料負(fù)荷要高于鄉(xiāng)村土壤[25]。以上研究可以看出,建立社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的格局特征與土壤微塑料的關(guān)系,是土壤微塑料的來(lái)源識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的科學(xué)基礎(chǔ)。

1.2 城郊區(qū)域

城郊是城市生態(tài)系統(tǒng)與鄉(xiāng)村/自然生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)地帶,景觀類型多樣,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使得土壤中微塑料污染較為復(fù)雜。城郊地區(qū)分布有一定面積的農(nóng)田,并且靠近人類密集活動(dòng)區(qū),通常會(huì)有垃圾隨意丟棄和堆積、污水灌溉、廢棄物再利用等現(xiàn)象,成為微塑料進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)的主要途徑。例如,有研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)用地膜及城市污泥施用是城郊菜地土壤微塑料的主要來(lái)源,在0—3 cm和3—6 cm土壤中微塑料的豐度分別為(78.00±12.91)個(gè)/kg和(62.50±12.97)個(gè)/kg,主要形態(tài)為纖維、碎片和薄膜,多為黑色或透明色[28]。還有研究證實(shí)城郊菜地土壤普遍受到微塑料的污染,并且微塑料豐度高于城市居民區(qū)土壤[11]。城郊地區(qū)大量存在的垃圾填埋場(chǎng)也被認(rèn)為是土壤中微塑料的重要來(lái)源。He等[29]在上海、無(wú)錫、蘇州和常州四個(gè)地區(qū)城市固體廢棄物堆填區(qū)的滲濾污水樣本中發(fā)現(xiàn)了17種不同類型的微塑料,濃度為0.42—24.58個(gè)/L,99.36%的微塑料來(lái)自垃圾填埋場(chǎng)的塑料垃圾碎片。然而需要注意的是,垃圾填埋場(chǎng)并不是微塑料的最終歸宿,而是向土壤釋放微塑料的一個(gè)潛在來(lái)源。城郊地區(qū)處于城市與鄉(xiāng)村的交界地帶,工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)同時(shí)存在使得城郊地區(qū)面臨較高的土壤微塑料污染風(fēng)險(xiǎn),對(duì)城郊用地進(jìn)行合理規(guī)劃和布局,有效降低土壤微塑料污染風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 鄉(xiāng)村/自然區(qū)域

鄉(xiāng)村地區(qū)農(nóng)田中的微塑料污染及其對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前普遍認(rèn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)(包括農(nóng)用薄膜的使用、有機(jī)肥施用及污水灌溉等)是造成鄉(xiāng)村地區(qū)農(nóng)田土壤微塑料污染的主要驅(qū)動(dòng)因素[30]。農(nóng)用薄膜具有保溫、保濕、防蟲和抑制雜草等作用,能大幅提高農(nóng)作物產(chǎn)量,我國(guó)近幾年農(nóng)用薄膜使用量大大增加,從2000年的1.33×106t增長(zhǎng)到2018年的2.47×106t[31],但殘留在土壤中的地膜會(huì)逐步破碎裂解為微塑料顆粒,直接進(jìn)入到農(nóng)田土壤中[32]。

農(nóng)田土壤中的微塑料還有一部分來(lái)自于土壤改良劑。污泥和以城市廢棄物和畜禽糞便等加工而成的有機(jī)肥因其能為植物提供養(yǎng)分、改善土壤質(zhì)量,增加土壤碳庫(kù)等優(yōu)勢(shì)而被許多國(guó)家地區(qū)大力推廣,但這些土壤改良劑中存在大量的微塑料,并且很難被去除[33]。Li等[34]在我國(guó) 11個(gè)省份 28個(gè)污水處理廠采集污泥樣本發(fā)現(xiàn),干污泥中微塑料平均含量為22.7±12.1×103個(gè)/kg,按此估算我國(guó)每年大約有 1.56×1014個(gè)微塑料顆粒通過(guò)污泥進(jìn)入到自然環(huán)境中。有機(jī)肥中也存在一定數(shù)量的微塑料,并且容易被忽視。Weithmann等[35]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥中直徑大于1mm的塑料碎片在14—895個(gè)/kg,并以此保守估計(jì)德國(guó)每年有350億—2.2萬(wàn)億個(gè)直徑大于1mm塑料碎片通過(guò)有機(jī)肥施用進(jìn)入到土壤中。我國(guó)是有機(jī)肥生產(chǎn)和使用的大國(guó),經(jīng)估算每年有機(jī)肥的施用將會(huì)導(dǎo)致52.4—2.64×104t微塑料進(jìn)入到土壤中,若考慮粒徑更小的微塑料顆粒,則土壤承接的微塑料將會(huì)更多[36]。因此有機(jī)肥施用作為土壤微塑料的一個(gè)重要來(lái)源需要引起關(guān)注。污水灌溉也會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤微塑料豐度的增加。有報(bào)道表明目前全球約有3.59×105km2的農(nóng)田灌溉都是使用未處理或者部分處理的城市污水[37]。地表水灌溉農(nóng)田也存在微塑料污染的風(fēng)險(xiǎn),目前已有較多關(guān)于地表水中微塑料污染的研究,在我國(guó)河流湖泊中普遍檢測(cè)到微塑料的存在[38—40],甚至地下水中也存在一定的微塑料顆粒[41]。通過(guò)以上案例可以看出,鄉(xiāng)村、自然土壤同樣受到微塑料的污染,特別是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤微塑料污染已經(jīng)成為一個(gè)重要的環(huán)境問(wèn)題,解析微塑料污染的源頭、明確其在土壤—植物系統(tǒng)中的傳輸過(guò)程及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是保障農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵(表1)。

表1 不同景觀中土壤微塑料的主要來(lái)源和特征

2 城鄉(xiāng)景觀中土壤微塑料的遷移特征

塑料作為一種完全由人類制造的材料,是由社會(huì)的需求驅(qū)動(dòng)了生產(chǎn),經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素又決定了其使用及其在空間上的布局,最后經(jīng)人類活動(dòng)釋放到環(huán)境中的,微塑料在城鄉(xiāng)景觀中的組成、遷移及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制復(fù)雜且多樣,并且受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素影響下人類活動(dòng)的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)(圖1)。微塑料在城鄉(xiāng)景觀中通過(guò)人為運(yùn)輸、大氣輸送和地表徑流等途徑進(jìn)行遷移,其自身在土壤中也存在遷移現(xiàn)象,其中通過(guò)人類運(yùn)輸活動(dòng)進(jìn)行遷移是微塑料在城鄉(xiāng)景觀中遷移的主要特點(diǎn)。

圖1 城鄉(xiāng)景觀中土壤微塑料的主要遷移途徑

在城鄉(xiāng)景觀中,受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的驅(qū)動(dòng)城市產(chǎn)生的廢物和廢水等通過(guò)人為運(yùn)輸被轉(zhuǎn)移到垃圾填埋場(chǎng)、污水處理廠、農(nóng)田等地區(qū),微塑料也伴隨著運(yùn)輸過(guò)程從城市生態(tài)系統(tǒng)被轉(zhuǎn)移到城郊或鄉(xiāng)村地區(qū),增加城郊和鄉(xiāng)村土壤中微塑料的輸入風(fēng)險(xiǎn)。盡管部分垃圾填埋場(chǎng)會(huì)設(shè)置隔離層防止土壤污染,但在大多數(shù)發(fā)展中和不發(fā)達(dá)地區(qū),廢棄物管理措施并不完善,會(huì)造成微塑料進(jìn)入土壤環(huán)境中[16]。另外,污水處理廠產(chǎn)生的污泥廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,污泥中的微塑料直接或間接的遷移到農(nóng)田土壤中并長(zhǎng)時(shí)間保留,對(duì)土壤動(dòng)物、微生物和植物構(gòu)成持續(xù)威脅[49—50]。此外,大氣輸送也是微塑料在城鄉(xiāng)景觀中進(jìn)行遷移的途徑之一。例如,Cai 等[51]和Dris 等[19]分別對(duì)東莞和巴黎大氣中微塑料的沉降進(jìn)行初步的探索發(fā)現(xiàn)大氣中的微塑料以纖維為主,可能來(lái)源于衣物、建筑材料或者紡織品加工廠,通過(guò)風(fēng)力運(yùn)輸或者降雨而被沉降到其他區(qū)域。尤其值得注意的是,微塑料可以通過(guò)大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的遷移并沉降到自然生態(tài)系統(tǒng)中,造成更多未知的風(fēng)險(xiǎn)[52]。地表徑流是微塑料在陸地遷移的另一重要途徑[53],例如在城市中,道路輪胎磨損產(chǎn)生的微塑料會(huì)隨著雨水的沖刷遷移到地表水體及周邊土壤中[54],還有研究表明農(nóng)田中低密度微塑料水平遷移主要由水土流失過(guò)程驅(qū)動(dòng)(>96%),僅有4%的微塑料通過(guò)滲濾作用及壤中流運(yùn)動(dòng)在土壤孔隙中遷移[55]。

微塑料在土壤中同樣存在遷移現(xiàn)象,土壤微塑料可以通過(guò)農(nóng)業(yè)耕作、土壤生物活動(dòng)、植物根系的生物干擾作用和土壤的淋濾作用等進(jìn)行。其中,耕作活動(dòng)主要通過(guò)對(duì)表層土壤和深層土壤進(jìn)行翻轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致表層富集的土壤微塑料向深層土壤遷移[56]。土壤動(dòng)物在土壤中的運(yùn)動(dòng)行為會(huì)導(dǎo)致微塑料在土壤中的遷移,微塑料可以粘附在蚯蚓的體表,以及通過(guò)蚯蚓的攝食和排泄在不同深度土壤中進(jìn)行遷移[57—58]。例如,Huerta等[58]將蚯蚓暴露于不同濃度微塑料的土壤中,發(fā)現(xiàn)蚯蚓會(huì)將微塑料帶到其洞穴中。除蚯蚓外,也有研究發(fā)現(xiàn)彈尾目昆蟲(如,Folsomiacandida和Proisotomaminuta)也可以將微塑料從表層土壤遷移到深層土壤[59]。另外,植物根系運(yùn)動(dòng)、根系吸水等根系生物干擾作用對(duì)土壤顆粒的運(yùn)移有顯著的影響[60],所以推測(cè)土壤中的微塑料也會(huì)隨著植物根系的活動(dòng)而在土壤中進(jìn)行遷移[61]。在土壤環(huán)境中,微塑料除了可以借助人為和生物干擾作用遷移外,土壤本身作為一種多孔介質(zhì),其淋濾作用對(duì)土壤微塑料的垂直遷移可能有更加顯著的作用。例如Cey等[62]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在最高滲透率下微塑料球可以隨水流運(yùn)動(dòng)到達(dá)70 cm土壤層,并且微塑料在不斷的垂直遷移過(guò)程中最終可能會(huì)進(jìn)入地下水,造成地下水微塑料污染[63]。

3 土壤微塑料在城鄉(xiāng)景觀中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與潛在健康風(fēng)險(xiǎn)

微塑料在土壤生態(tài)系統(tǒng)中不斷積累,其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)已引起普遍關(guān)注,在城郊和鄉(xiāng)村地區(qū),土壤微塑料會(huì)影響土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),威脅土壤生物和植物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖,對(duì)土壤生態(tài)功能的維持產(chǎn)生不利影響。研究表明微塑料進(jìn)入土壤后能夠?qū)ν寥赖慕Y(jié)構(gòu)、pH、有機(jī)質(zhì)和團(tuán)聚體等產(chǎn)生影響[64],還會(huì)影響水分遷移過(guò)程[65],改變土壤的營(yíng)養(yǎng)成分[66],對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生諸多負(fù)面影響。土壤生物(動(dòng)物、植物和微生物)不僅會(huì)受到微塑料污染的直接威脅,而且還會(huì)由于土壤理化性質(zhì)的改變,間接影響動(dòng)物、植物、微生物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖。例如,有研究發(fā)現(xiàn)微塑料能夠顯著抑制蚯蚓的生長(zhǎng),并且能夠觀察到蚯蚓組織的病理學(xué)損傷,在暴露濃度在1%—2%時(shí)有致死效應(yīng)[67],微塑料還會(huì)阻塞土壤動(dòng)物的洞穴,使其生存困難[68]。有研究表明微塑料會(huì)阻塞植物種子的種孔和吸附在根毛上,從而影響植物種子的萌發(fā)和根的生長(zhǎng)[69],并且微塑料能夠被植物根部吸收和富集,進(jìn)而遷移到莖葉中[70]。Bosker等[69]研究發(fā)現(xiàn)微塑料會(huì)使維管植物L(fēng)epidiumsativum的發(fā)芽率顯著下降,并且抑制根的生長(zhǎng)。微塑料為微生物提供了新的生態(tài)位[71],有研究發(fā)現(xiàn)微塑料能夠富集病原菌[72]從而帶來(lái)較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),微塑料引起的土壤理化性質(zhì)變化會(huì)改變土壤微生物的生存環(huán)境,導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的變化[73]。

塑料在加工過(guò)程中通常會(huì)加入多種化學(xué)添加劑,如阻燃劑、增塑劑、染色劑等來(lái)增強(qiáng)塑料制品的應(yīng)用性,因此塑料本身含有一些污染物[74]。進(jìn)入到土壤中的塑料制品,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化、紫外線照射、破碎裂解等變成微塑料顆粒,在這個(gè)過(guò)程中塑料中的有毒物質(zhì)可能會(huì)釋放到土壤中[75]。有研究表明PS[76]、PVC[77]和聚碳酸酯(PC)[78]可以釋放有毒單體,而這些單體可以導(dǎo)致人類、嚙齒動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物的癌癥和生殖異常。另外,土壤微塑料由于比表面積大、吸附位點(diǎn)多、表面官能團(tuán)多等原因,在復(fù)雜的土壤環(huán)境中容易吸附重金屬、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、抗生素、抗生素抗性基因等污染物[2],從而使土壤污染加劇和復(fù)雜化,增加人類健康風(fēng)險(xiǎn)。此外,研究發(fā)現(xiàn)微塑料表面尤其是凹坑和薄片,易被各種土壤微生物定植[79],使得微塑料可能成為致病菌的載體[80],成為傳播和富集病原體的媒介。

土壤微塑料可以通過(guò)食物鏈的傳遞和富集由鄉(xiāng)村和城郊地區(qū)遷移至城市地區(qū),從而給人類帶來(lái)較高的健康風(fēng)險(xiǎn),這一傳輸過(guò)程與微塑料人為運(yùn)輸?shù)姆较蚯∏∠喾?圖2)。例如有研究揭示了食物鏈(土壤—蚯蚓—雞)中微塑料的傳遞與富集狀況,發(fā)現(xiàn)在土壤、蚯蚓、雞的嗉囊和雞糞中微塑料的濃度分別為(0.87±1.9)個(gè)/g、(14.8±28.8)個(gè)/g、(10.2±13.8)個(gè)/g和(129.8±82.3)個(gè)/g[81],微塑料從土壤到蚯蚓的富集系數(shù)為12.7,從土壤到雞糞的富集系數(shù)高達(dá)105,從土壤到雞的砂囊中的富集系數(shù)為 5.1[36],證明了微塑料可以在食物鏈中進(jìn)行傳遞和積累,從而通過(guò)食物攝取進(jìn)入到人體中。李連禎等[70]發(fā)現(xiàn)PS微球(0.2 μm)可被生菜根部大量吸收和富集,并可以從根部遷移到地上部分,積累和分布在可被直接食用的莖葉之中。微塑料可以通過(guò)攝食、呼吸和皮膚接觸等途徑進(jìn)入到人體中[82],當(dāng)微塑料顆粒進(jìn)入到人體后,可能會(huì)通過(guò)顆粒毒性、化學(xué)毒性以及病原體和寄生蟲媒介對(duì)人類健康造成不利影響[83]。目前研究發(fā)現(xiàn),微塑料進(jìn)入人體后會(huì)被積累到腸道中,但也有少數(shù)微塑料通過(guò)腸道屏障進(jìn)入到循環(huán)系統(tǒng)中[84]。腸道中的微塑料可能會(huì)引起局部炎癥,擾亂內(nèi)分泌調(diào)節(jié),影響人類正常的胃腸功能；另一方面,微塑料在腸道中的積累會(huì)破壞腸道微生物的群落組成和多樣性,引起腸道微生物群落失調(diào)[85—86],從而影響人類健康。有生理學(xué)研究表明,PS納米顆粒會(huì)影響人胃腺癌上皮細(xì)胞的活力、炎癥基因表達(dá)和形態(tài)[87]。此外,當(dāng)上皮細(xì)胞暴露于微塑料或納米塑料中時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)[88]。還有研究發(fā)現(xiàn)44nm的PS納米粒子進(jìn)入胃腺癌細(xì)胞后會(huì)抑制細(xì)胞活力,強(qiáng)烈誘導(dǎo)IL-6和IL-8基因的上調(diào),使細(xì)胞產(chǎn)生毒力基因[87]。因此推測(cè)微塑料污染可能會(huì)使人體基因組或者行為方面產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的變化[86]。土壤環(huán)境中微塑料污染通過(guò)食物、呼吸和接觸等途徑傳遞引起的呼吸道刺激、哮喘、肥胖、胃腸病及心血管疾病等[89]都對(duì)人類健康造成嚴(yán)重威脅。

圖2 土壤微塑料的健康風(fēng)險(xiǎn)在城鄉(xiāng)景觀中的傳遞

4 未來(lái)研究展望

微塑料在土壤環(huán)境中的不斷積累與遷移,會(huì)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)和人居環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,但當(dāng)前關(guān)于土壤微塑料的研究還處于探索和積累階段。微塑料在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的運(yùn)移規(guī)律、對(duì)生態(tài)安全與環(huán)境健康的影響、土壤微塑料的時(shí)空模擬與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等問(wèn)題亟需深入研究,未來(lái)研究可以從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)開(kāi)展：

(1)闡明微塑料在城鄉(xiāng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤中的分布特征和遷移規(guī)律。受城鄉(xiāng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中景觀格局、功能區(qū)劃、人類活動(dòng)、環(huán)境背景等多重因素的影響,土壤微塑料的來(lái)源廣泛,在空間上的運(yùn)移過(guò)程復(fù)雜,目前尚沒(méi)有系統(tǒng)的沒(méi)有研究揭示其遷移過(guò)程,特別是野外實(shí)驗(yàn)缺乏。未來(lái)研究中應(yīng)該進(jìn)一步明確不同尺度土壤微塑料的“源”、“流”、“匯”景觀,考慮不同環(huán)境條件下社會(huì)、經(jīng)濟(jì)格局特征及其動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)環(huán)境中微塑料的產(chǎn)生、遷移過(guò)程的影響,明確城鄉(xiāng)景觀中微塑料的物質(zhì)流過(guò)程及其在土壤環(huán)境中的富集特征,建立社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)格局與微塑料產(chǎn)生和遷移過(guò)程的聯(lián)系。

(2)進(jìn)一步明確土壤微塑料對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的作用機(jī)制及其對(duì)人類健康的影響。微塑料對(duì)多個(gè)重要土壤生態(tài)過(guò)程的影響并不十分清楚,微塑料進(jìn)入土壤以及在土壤中長(zhǎng)時(shí)間的富集對(duì)土壤生態(tài)功能的影響還需要進(jìn)一步明確。未來(lái)研究中更需要進(jìn)一步揭示土壤微塑料富集及其遷移過(guò)程對(duì)關(guān)鍵土壤生態(tài)服務(wù)的影響,明確其作用過(guò)程、機(jī)制與關(guān)鍵影響因素。微塑料對(duì)人類健康影響的研究也處于起步階段,以研究模式生物和細(xì)胞為主,并且類型單一、劑量高,下一步應(yīng)該更加全面和準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)微塑料的毒性效應(yīng),明確其健康影響機(jī)制。特別是在城鄉(xiāng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中,微塑料常與其他污染物形成復(fù)合污染,具有多源頭和復(fù)雜的遷移過(guò)程,使其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和健康風(fēng)險(xiǎn)較高,城鄉(xiāng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中土壤微塑料污染對(duì)人類健康的作用過(guò)程及其風(fēng)險(xiǎn)亟需進(jìn)一步明確。

(3)建立土壤微塑料遷移過(guò)程及其風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型。目前還未建立科學(xué)的土壤微塑料污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系,應(yīng)基于土壤微塑料在城鄉(xiāng)景觀中的來(lái)源、遷移特征及其健康風(fēng)險(xiǎn),結(jié)合城鄉(xiāng)格局、功能分區(qū)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的空間布局及其流動(dòng)特征,充分考慮環(huán)境背景構(gòu)建土壤微塑料遷移過(guò)程及其污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型,開(kāi)展土壤微塑料污染的模擬預(yù)測(cè),以更有針對(duì)性地減少土壤微塑料污染,充分考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等因素的協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系進(jìn)行管控和治理,以提升城鄉(xiāng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤安全、維護(hù)人居環(huán)境健康。