土壤中微塑料污染的生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展

范依，陳子聰，李璇敏，楊采瑩，梁杰雄，秦建橋，劉沙沙

（肇慶學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

微塑料（MPs）污染已成為全球廣泛關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題.微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒[1]，土壤中的微塑料主要來(lái)源于大氣沉降、污水灌溉、污泥農(nóng)用和農(nóng)用地膜廣泛使用等[2].微塑料在自然狀態(tài)下不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此可以長(zhǎng)期存在于環(huán)境中.由于具有較大的比表面積和強(qiáng)疏水性，微塑料可以吸附其它污染物[3-4]，進(jìn)而加劇其引發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).在各種物理化學(xué)作用下，微塑料會(huì)對(duì)土壤的物理化學(xué)性質(zhì)和土壤生物等造成影響[5].目前關(guān)于微塑料進(jìn)入土壤后對(duì)生物的影響已逐漸引起關(guān)注.Ng等[6]研究發(fā)現(xiàn)微塑料會(huì)阻礙土壤水分和養(yǎng)分的運(yùn)輸，對(duì)土壤生物及其組成系統(tǒng)的總體多樣性和變異性產(chǎn)生不良影響.粒徑更小的微塑料可能會(huì)被植物吸收或被土壤動(dòng)物攝食[6-8]，通過(guò)食物鏈傳遞，最終危害人類(lèi)健康.

本研究總結(jié)了微塑料污染對(duì)土壤微生物、動(dòng)物和植物的生態(tài)毒性效應(yīng)，并針對(duì)當(dāng)前研究存在的不足，提出了未來(lái)土壤中微塑料污染的研究方向，以期為微塑料對(duì)土壤生物的毒性效應(yīng)及作用機(jī)理評(píng)估提供依據(jù).

1 微塑料對(duì)土壤微生物的影響

土壤中的微生物在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡方面起到關(guān)鍵性作用[9].微塑料及其吸附的污染物進(jìn)入土壤后會(huì)對(duì)微生物群落的多樣性與豐度造成一定的影響.土壤中的微塑料可能會(huì)成為某些微生物的棲息地，并在微塑料表面形成生物膜[10]，因此微塑料表面與周?chē)寥乐形⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)存在明顯差異[11].Tender等[12]在微塑料表面監(jiān)測(cè)到大量的弧菌科和假單胞菌科，而這些細(xì)菌群在周?chē)寥乐械呢S度卻很低.同時(shí)，微塑料還會(huì)干擾微生物群落的演替和進(jìn)化過(guò)程.例如，聚乙烯（PE）的摻入會(huì)減弱蛋白質(zhì)細(xì)菌的生存優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)放線菌的生存優(yōu)勢(shì)，使之成為新的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，這表明微塑料具有改變微生物群落演替方向的潛力，會(huì)對(duì)微生物生態(tài)和土壤地球化學(xué)循環(huán)造成嚴(yán)重影響[13].在向土壤中加入低密度聚乙烯（LDPE）和聚氯乙烯（PVC）后，會(huì)發(fā)現(xiàn)土壤中絕大多數(shù)細(xì)菌群落的豐富度和多樣性顯著降低，但β-變形菌的豐度明顯增加[14-15]，從而證實(shí)了微塑料的存在可能會(huì)影響土壤中原有微生物群落的結(jié)構(gòu).此外，微塑料對(duì)微生物活性的影響表現(xiàn)出兩面性，如添加聚丙烯酸（PAA）、聚酯和聚苯乙烯（PS）均會(huì)降低微生物活性[16]，而添加聚丙烯（PP）能夠增強(qiáng)微生物活性.

微塑料進(jìn)入土壤后可以使土壤的理化性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而間接影響土壤微生物菌群[17].微塑料能夠改變土壤孔隙度，從而導(dǎo)致微生物失去適合其生存的環(huán)境，甚至造成土著微生物的滅絕[18].在土壤中加入微塑料后，土壤的團(tuán)聚性將會(huì)隨著微塑料顆粒的介入而發(fā)生改變.Zhang等[19]研究發(fā)現(xiàn)土壤中約70%的微塑料參與了土壤團(tuán)聚體的形成，土壤孔隙度和濕度在團(tuán)聚體形成后會(huì)明顯增大，進(jìn)而引起土壤中氧氣含量的變化，導(dǎo)致好氧菌和厭氧菌在土壤中的生存區(qū)域發(fā)生改變[20].微塑料能夠吸收太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致土壤溫度升高，在寒冷地區(qū)，微生物群落很可能會(huì)因?yàn)橥寥罍囟燃?xì)微升高而發(fā)生改變[21].

微塑料還會(huì)影響土壤酶催化物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力，從而引起微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化[22].熒光素二乙酸酯水解酶（FDAse）可以作為評(píng)估土壤污染程度在短期內(nèi)變化的有效指標(biāo),代表了整體微生物的代謝活力[23].De Souza Machado等[24]研究發(fā)現(xiàn)PE、聚酰胺（PA）和聚酯（PES）均增強(qiáng)了FDAse的活性，而PP、PS和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）的作用效果并不顯著.另有研究表明，土壤中過(guò)氧化氫酶和脲酶的酶促轉(zhuǎn)化速率會(huì)受到微塑料的影響，從而改變土壤微生物群落的空間結(jié)構(gòu)和種類(lèi)結(jié)構(gòu)[25].

長(zhǎng)期存在于土壤中的微塑料可能會(huì)成為土壤微生物的附著載體，為微生物提供新的生存環(huán)境，進(jìn)而改變微生物群落的多樣性、豐度、結(jié)構(gòu)和功能等.微塑料進(jìn)入土壤后可能會(huì)直接影響微生物的演替速度，還會(huì)導(dǎo)致土壤的孔隙度、濕度和通氣性等理化性質(zhì)發(fā)生改變，從而間接地影響微生物群落.目前有關(guān)微塑料對(duì)微生物的影響機(jī)制尚不清楚，可將其作為今后的研究重點(diǎn).

2 微塑料對(duì)土壤動(dòng)物的影響

作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中必不可缺的參與者，土壤動(dòng)物可以促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，在影響土壤通氣狀況、養(yǎng)分有效性、微生物活性等方面發(fā)揮著重要作用[26-27]..土壤動(dòng)物可以吞食微塑料而進(jìn)入人體，攜帶微塑料在土壤中進(jìn)行遷移；微塑料的存在會(huì)影響螨蟲(chóng)、彈尾蟲(chóng)在土壤中的行為活動(dòng)[28]，塑料地膜的存在會(huì)降低土壤生態(tài)系統(tǒng)中無(wú)脊椎動(dòng)物種群的多樣性[29].

目前關(guān)于微塑料對(duì)土壤動(dòng)物的影響研究多以蚯蚓為主，高濃度的微塑料會(huì)損害赤子愛(ài)勝蚓的體表組織，誘發(fā)其氧化應(yīng)激響應(yīng)和神經(jīng)毒性，威脅其健康[30].聚酯纖維微塑料的短期脅迫會(huì)對(duì)蚯蚓產(chǎn)生毒害作用，隨著培養(yǎng)時(shí)間增長(zhǎng)，聚酯纖維微塑料對(duì)蚯蚓的體重、產(chǎn)卵數(shù)和死亡均沒(méi)有產(chǎn)生顯著的影響[31]..此外，在土壤中加入可降解微塑料會(huì)對(duì)蚯蚓富集六溴環(huán)十二烷（HBCDs）產(chǎn)生一定的影響，蚯蚓體內(nèi)HBCDs的含量會(huì)隨著微塑料粒徑的減小呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)[32].許雅麗[33]研究了威廉環(huán)毛蚓對(duì)不同微塑料的排泄規(guī)律，并在蚯蚓的糞便中檢測(cè)出納米級(jí)微塑料，這表明蚯蚓的腸道消化作用可以在一定程度上降解微塑料.

除蚯蚓外，微塑料對(duì)其它土壤動(dòng)物也存在著一定的影響.宋揚(yáng)[34]研究發(fā)現(xiàn)微塑料的存在會(huì)影響白玉蝸牛的攝食和排泄，損壞其腸胃組織.微塑料的脅迫會(huì)改變無(wú)脊椎動(dòng)物秀麗隱桿線蟲(chóng)的壽命、體長(zhǎng)和繁殖能力，引起其氧化應(yīng)激和慢性神經(jīng)毒性，導(dǎo)致線蟲(chóng)死亡率提高[35].羅小鳳等[36]以14天（幼蟲(chóng)）和21天（成蟲(chóng)）的土壤白符跳蟲(chóng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究廢料（塑料類(lèi)廢料混合物）、保溫棉、麥麩和保溫棉混合物（質(zhì)量比為9：1）、經(jīng)黃粉蟲(chóng)降解后細(xì)保溫棉形成的4種不同次生微塑料對(duì)土壤跳蟲(chóng)的影響，發(fā)現(xiàn)次生微塑料會(huì)導(dǎo)致幼蟲(chóng)死亡，成蟲(chóng)產(chǎn)卵數(shù)降低，影響跳蟲(chóng)的成熟率和繁殖率.在PVC暴露的情況下，土壤白符跳蟲(chóng)體內(nèi)腸道的微生物菌群也會(huì)發(fā)生改變[37].微塑料還會(huì)堵塞一些土壤動(dòng)物洞穴，使其受困甚至威脅其生存[38].

微塑料進(jìn)入土壤后會(huì)對(duì)土壤動(dòng)物產(chǎn)生毒性作用，從體表、腸道到成熟率、產(chǎn)卵率等方面均有影響，這可能與微塑料的種類(lèi)、粒徑和濃度及土壤動(dòng)物對(duì)微塑料的偏食習(xí)性等有關(guān)；此外，微塑料還可以通過(guò)改變土壤動(dòng)物的生存環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生威脅.

3 微塑料對(duì)植物的影響

微塑料可以被吸附在種子表皮及根須表層，堵塞種子囊孔或細(xì)胞壁孔洞，從而抑制種子發(fā)芽和根部生長(zhǎng)發(fā)育[39].劉鎣鎣等[40]研究發(fā)現(xiàn)小粒徑高濃度的高密度聚乙烯（HDPE）容易吸附在綠豆的根系表面，阻礙綠豆吸收土壤水分及養(yǎng)分，進(jìn)而導(dǎo)致綠豆的發(fā)芽率和生長(zhǎng)率降低.廖苑辰等[41]通過(guò)土培小麥研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)PS處理含量為100 mg∕(kg土壤）時(shí)，粒徑為5 μm的PS抑制了小麥葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素的合成；當(dāng)PS處理含量高于10 mg∕(kg土壤）時(shí)，隨著處理濃度增大，小麥葉片光合色素和可溶性蛋白濃度顯著降低.聚乳酸（PLA）會(huì)抑制黑麥草種子發(fā)芽，同時(shí)還會(huì)降低黑麥草植株的高度[42].相反，土壤中一定粒徑和濃度的微塑料可以促進(jìn)蔥、胡蘿卜、黑麥草等農(nóng)作物生長(zhǎng)，主要表現(xiàn)在生物量增加及根系增長(zhǎng)等方面[43].吳佳妮等[44]研究發(fā)現(xiàn)0.02 μm和0.1 μm聚苯乙烯納米塑料（PSNPs）均會(huì)抑制大豆種子發(fā)芽，而在濃度為200 mg∕L時(shí)，2種不同粒徑（0.02 μm，0.1 μm）PSNPs對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的抑制作用最強(qiáng)，這表明在中等濃度時(shí)，一定粒徑的PSNPs容易進(jìn)入植物體內(nèi)，損害植物根系.

微塑料的摻入還會(huì)引起土壤容重、持水量和酸堿度等發(fā)生變化，從而改變植物的生長(zhǎng)狀態(tài)[45].例如，HDPE可以降低土壤pH值，導(dǎo)致黑麥草的生物量明顯減少[42].Lozano等[46]研究發(fā)現(xiàn)微塑料纖維可以降低土壤假比重和水穩(wěn)定團(tuán)聚體，導(dǎo)致孔隙度增大，促進(jìn)土壤空氣和大氣進(jìn)行氣體交換，為根系在土壤中滲透提供有利條件，從而增加芽和根的質(zhì)量.土壤理化性質(zhì)的改變可能也會(huì)對(duì)植物根表及近根土壤中微生物的活性起到一定的促進(jìn)或抑制作用[24,47-48]，從而間接影響植物的生長(zhǎng).在土壤中添加1%的LDPE可以促進(jìn)植物根系微生物群落結(jié)構(gòu)和活性發(fā)生變化，從而抑制小麥種子及幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育[49].此外，微塑料可以作為重金屬的載體，與重金屬在土壤環(huán)境中發(fā)生地球化學(xué)循環(huán)[50]，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，如土壤中的微塑料會(huì)與鎘產(chǎn)生協(xié)同作用，通過(guò)改變重金屬的生物可利用性和毒性，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)[51].

微塑料的長(zhǎng)期存在可能會(huì)對(duì)土壤植物造成正面或負(fù)面的影響，一方面在于微塑料可以進(jìn)入植物體內(nèi)，阻礙種子發(fā)芽和根部生長(zhǎng)；另一方面，微塑料可以改變土壤理化性質(zhì)、根系微生物的結(jié)構(gòu)和活性等，直接或間接地影響植物生長(zhǎng)[52]，而不同的影響方式及生態(tài)效應(yīng)可能與微塑料自身特性、植物種類(lèi)和土壤條件等有關(guān)[24]，這些都將會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn).

4 結(jié)論與展望

微塑料進(jìn)入土壤后可能會(huì)通過(guò)物理、化學(xué)和生物等作用方式對(duì)土壤的理化性質(zhì)及土壤中的生物造成一定的影響，但由于相關(guān)的研究起步較晚，微塑料對(duì)土壤生物的影響及可能機(jī)制尚不明確，相關(guān)理論方法也較為分散.在未來(lái)的研究中，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步完善：

（1）目前大多使用初級(jí)微塑料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而實(shí)際上土壤中的微塑料大多是以次級(jí)微塑料的形式存在，且其在土壤中的存留時(shí)間各不相同，因此構(gòu)成的生態(tài)危害也有所不同，未來(lái)應(yīng)深入了解不同來(lái)源、類(lèi)別、形狀、粒徑和老化程度的微塑料對(duì)土壤生物的具體影響.

（2）當(dāng)前研究大多是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下進(jìn)行的，微塑料暴露量與實(shí)際環(huán)境濃度相差較大，且實(shí)驗(yàn)周期較短，微塑料污染對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響尚不清晰.因此，未來(lái)還需開(kāi)展跨地域的長(zhǎng)期試驗(yàn)，進(jìn)一步探究微塑料在自然土壤環(huán)境下對(duì)土壤生物的影響.

（3）微塑料能夠吸附土壤中的重金屬、抗生素和有機(jī)污染物等，從而形成復(fù)合污染.目前有關(guān)微塑料作為污染物載體的生態(tài)效應(yīng)研究較少，未來(lái)還需要深入探討微塑料和污染物之間的復(fù)合污染作用及其對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康的影響，進(jìn)一步揭示微塑料污染的影響機(jī)制.