水環(huán)境中微塑料的生態(tài)效應(yīng)及去除研究進展*

蔣燕虹 程潞 向玉玉 梁宇杰 何慧軍 張衿瀟

(1.桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院 廣西桂林 541004；2.桂林理工大學化學與生物工程學院 廣西桂林 541004)

0 引言

微塑料是指粒徑極小(通常小于5.0 mm)的塑料碎片、紡織纖維或者塑料薄膜。在環(huán)境中，微塑料常被分為初生(一次)微塑料和次生(二次)微塑料。前者是指經(jīng)自然水體、污水處理廠等排放進入環(huán)境的微塑料顆粒，或者是含有細小塑料顆粒和樹脂顆粒的工業(yè)產(chǎn)品，如洗護用品、醫(yī)學藥品、涂料等；后者是指生產(chǎn)使用后被遺棄的大型塑料經(jīng)物理、化學和生物作用進一步轉(zhuǎn)化為具有較大比表面積的微小塑料顆粒[1]。

基于合成聚合物的耐用性、多功能性、成本低等優(yōu)勢，塑料制品的生產(chǎn)量和使用量與日俱增，全球塑料產(chǎn)量從1950年的150萬t增加到2017年的3.48億t，預(yù)計到2050年，全球累計塑料產(chǎn)量將達340億t[2]。我國的塑料產(chǎn)量也非?？捎^，僅2020年5月就生產(chǎn)了670萬t。除了約21%的塑料能被有效處理之外，還有約79%的塑料將被丟棄在陸地或海洋中。在全球生產(chǎn)的這些塑料中，大部分是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚對苯二甲酸乙二酯類型，這些聚合物進入環(huán)境后，不易被環(huán)境降解，能在環(huán)境中長久存在。有研究顯示，全球大多數(shù)海岸線均檢測到微塑料的存在，其中太平洋和北大西洋為主要聚集地，甚至在北極地區(qū)都檢測出大量微塑料。2018年，中國科學院深?？茖W與工程研究所在全球最深處馬里亞納海溝發(fā)現(xiàn)了微塑料，其中取樣點最深約11 km[3]；2020年，有研究者在世界最高處珠穆朗瑪峰的水樣本中也檢測出了微塑料，由此說明微塑料已遍布全球的各個角落。隨著塑料產(chǎn)量的增加，微塑料在環(huán)境中的量日益增大，其對環(huán)境污染的范圍也不斷擴大，對各個生態(tài)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠影響[1]。例如，崔鐵峰等[4]研究發(fā)現(xiàn)微塑料富集在中華絨螃蟹體內(nèi)，影響體內(nèi)分子的轉(zhuǎn)運與酶活性，進而對其生長發(fā)育、生殖性能和免疫系統(tǒng)等各項生命指標造成危害。此外，由于微塑料粒徑小、比表面積大、疏水性強，極易與環(huán)境中的致病菌、重金屬或有機污染物相結(jié)合，形成復(fù)合污染物。

基于此，本文在前人有關(guān)水環(huán)境微塑料的研究基礎(chǔ)上，初步綜述了微塑料在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化途徑，以及對水環(huán)境的生態(tài)效應(yīng)，并通過對已有研究結(jié)果的分析和總結(jié)，探討了去除水環(huán)境微塑料的相關(guān)技術(shù)，為減輕微塑料的水環(huán)境效應(yīng)提供一些技術(shù)借鑒和指導。

1 微塑料在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化

進入水環(huán)境后，密度較大的微塑料因重力作用而沉積在底泥中，而密度較小的微塑料則漂浮在水面上，借助外力遷移，或被生物攝食后在食物網(wǎng)中傳遞和累積。而微塑料再進入水環(huán)境中的方式有多種，包括陸域、大氣沉降等，進入水環(huán)境中的微塑料又會因環(huán)境中的各種物化作用或生物作用而被進一步轉(zhuǎn)化。

1.1 在水環(huán)境中的遷移方式

水環(huán)境中微塑料的主要來源途徑為陸源輸入。當人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的塑料廢棄物被丟棄后，受到雨水沖刷或者空氣擾動而直接進入水體，并在環(huán)境作用下進一步分解成細小的微塑料，并隨水環(huán)境進行遷移。陸地中的微塑料還可能經(jīng)土壤淋溶的方式滲入到地下水，并隨其進行遠距離遷移。董姝楠等[5]研究發(fā)現(xiàn)地下水中的微塑料主要來源于土壤中微塑料的豎向遷移以及地表-地下水的交換。另一種進入水環(huán)境的方式為大氣沉降，懸浮在空氣中的微塑料經(jīng)大氣沉降作用進入土壤或水體。DRIS R等[6]在巴黎城市集聚區(qū)的大氣微塑料沉降調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，每年通過大氣沉降到該區(qū)域的微塑料含量高達3～10 t。除了陸源輸入和大氣沉降之外，船舶運輸、水產(chǎn)養(yǎng)殖、臨海旅游等也是水環(huán)境中微塑料的重要來源。船體塑料裝置的損壞、航運事故的發(fā)生、水產(chǎn)養(yǎng)殖使用的塑料制品老化、游客隨意丟棄的塑料垃圾等都會加重水體微塑料的污染。在多種輸入途徑下，導致水環(huán)境中微塑料的含量不斷增大，并隨著大氣湍流運動和水循環(huán)運動，使得微塑料存在于各個生態(tài)系統(tǒng)中。根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國長江入海口微塑料平均含量為4.14×103片/km2，萊茵河微塑料平均含量高達8.93×105片/km2。

1.2 在水環(huán)境中的轉(zhuǎn)化途徑

當塑料進入河流、海洋等水環(huán)境后，會經(jīng)過一系列的作用被轉(zhuǎn)化成細小顆粒，如物理、化學和生物作用等，使大塊塑料的粒徑到達微米甚至納米級別，堪稱水中的“PM2.5”。在這些轉(zhuǎn)化過程中，風化、海浪沖擊、石頭碎化、河床碰撞等機械作用可使微塑料破裂分解，長期暴露在紫外線和空氣中也會使其逐漸老化分解，最終變成細小顆粒。此外，微塑料被生物捕食后，還可能經(jīng)咀嚼和胃囊磨碎等作用，使得粒徑變小。顏景蓮[7]研究發(fā)現(xiàn)在完全自然條件和人工實驗條件下，不同的塑料材料都會發(fā)生老化失真現(xiàn)象。另外，一些塑料可被環(huán)境中的某些微生物降解，最終實現(xiàn)微塑料的完全轉(zhuǎn)化，這也是微塑料降解最理想的方式。

2 水環(huán)境中微塑料的生態(tài)效應(yīng)

自從微塑料進入大眾視野后，其對人類和其他生物的毒害效應(yīng)或潛在危害備受關(guān)注。相較于“白色污染”，微塑料對水環(huán)境的危害程度更深、范圍更廣、后果更嚴重。

2.1 對水生動物的影響

由于微塑料粒徑細小，極易通過消化道、呼吸道進入水生動物的腸胃、肺或腮，再到血液循環(huán)系統(tǒng)、肝臟或腎臟。進入體內(nèi)的微塑料大部分會隨糞便排出，但有少部分會繼續(xù)存在于水生動物體內(nèi)，這部分微塑料會導致動物新陳代謝紊亂、生理應(yīng)激、免疫力下降、腸胃受損，甚至突破血腦屏障進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)毒性效應(yīng)，最終導致生物死亡。有研究者在水生動物的肝組織中發(fā)現(xiàn)了大量微塑料的蓄積，出現(xiàn)糖原消耗、脂肪空泡化和細胞壞死等現(xiàn)象，導致肝損傷甚至肝死亡[8]。暴露在含微塑料的水環(huán)境中的魚類，其產(chǎn)卵量和存活率都大幅度降低，甚至出現(xiàn)畸形幼魚；微塑料在生物體內(nèi)富集后，在食物鏈中傳遞，產(chǎn)生一系列生理毒性效應(yīng)。除此之外，微塑料可能還會吸附水中的其他物質(zhì)(如雙酚A、壬基酚、鄰苯二甲酸鹽酯等)引起協(xié)同毒性作用，干擾動物內(nèi)源性激素的分泌，導致性腺發(fā)育遲緩，影響生殖能力。

2.2 對水生植物的影響

微塑料不僅對水生動物有一定的毒害作用，同時也可能通過降低水生植物的光合作用，進而抑制水生植物的生長發(fā)育。粒徑極小的微塑料會黏附在植物體表面，堵塞植物的氣孔，或者被植物根系吸收，進入植物的各個組織中，降低光合色素含量等。張晨等[9]研究發(fā)現(xiàn)沉水植物暴露在含微塑料的水中時，植物葉片出現(xiàn)發(fā)黃、殘葉現(xiàn)象，其生長和光合作用都受到了嚴重抑制。此外，粒徑較大的塑料細絲、纖維和碎片還會被海草等水生植物攔截，形成天然的纖維團塊，阻礙植物的生長，在實際應(yīng)用中也可以根據(jù)這一特性，利用水生植物來捕獲微塑料，以實現(xiàn)對水中微塑料的去除。據(jù)統(tǒng)計，1 kg植物可富集約1 470片塑料，富集量已超過了某些處理工藝的去除量。

2.3 對微生物的影響

水中的微生物在整個生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著積極的作用，但微塑料的存在會嚴重抑制水中微生物的生長，進而影響微生物在生態(tài)系統(tǒng)中參與的物質(zhì)和能量循環(huán)過程。在通過對水中微生物影響的培養(yǎng)實驗中發(fā)現(xiàn)，與空白實驗相比，聚氯乙烯微塑料的存在嚴重抑制了細菌的硝化與反硝化[10]；在對微藻影響的研究中也發(fā)現(xiàn)，微塑料會抑制微藻的光合作用，影響微藻的生長和脂肪酸合成[11]?，F(xiàn)有大部分研究表明，微塑料的存在會危害水中微生物的正常生理活動。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，某些微塑料會提高微生物的活性，如聚氨基甲酸酯和聚乳酸微塑料會促進細菌的硝化和反硝化作用[10]。

3 水中微塑料的去除

鑒于微塑料對水環(huán)境中的生物產(chǎn)生了深遠影響，因此去除或者減少水環(huán)境中的微塑料是一項重要任務(wù)，現(xiàn)有的主要處理方法包括常規(guī)的污水處理廠去除技術(shù)和吸附、過濾等其他技術(shù)。

3.1 常規(guī)污水處理廠去除技術(shù)

在利用污水處理廠去除水中的微塑料時，主要存在物理、化學、生物處理等多個階段。在處理初期，可通過格柵攔截較大的塑料碎片，去除其中的一部分。在化學階段，使用的化學絮凝劑等藥劑使懸浮在水中的塑料顆粒聚集成團，吸附或沉淀在污泥內(nèi)，再通過泥水分離得以去除。在這一階段，添加的一些化學藥劑還可能使某些微塑料發(fā)生降解。在生物處理階段，水中細菌、霉菌等微生物通過同化作用和異化作用可降解諸如聚酯乳聚乳酸、聚羥基脂肪酸脂等易生物降解的微塑料，而其他難降解的微塑料可通過污泥的吸附作用而被移出水體。有研究表明，經(jīng)過污水處理廠中的一系列物理、化學和生物過程，污水中微塑料含量從進水的79.9個/L變?yōu)槌鏊?8.4個/L[12]。盡管如此，仍有約40%的微塑料隨處理后的出水排入水環(huán)境中，且存在于污泥中的那部分微塑料也可能隨著污泥的再利用而轉(zhuǎn)移到土壤，最終仍存在于環(huán)境中，影響生態(tài)系統(tǒng)。

3.2 微塑料的其他去除技術(shù)

對微塑料處理的研究是一個新的研究領(lǐng)域，除了利用污水處理廠來處理之外，其他的技術(shù)還包括吸附、過濾、光催化等。

(1)吸附。由于微塑料本身具有很強的吸附性能，所以利用同樣具有吸附性能的吸附劑來去除水中的微塑料是一種切實可行的方法。在這其中，研發(fā)具有超高吸附性能的吸附劑是該技術(shù)的核心。湯愛琪[13]研究采用了一種高效易分離的磁性微生物絮凝劑對水中微塑料進行吸附去除，微塑料去除率可達90%～100%。

(2)過濾。在對水中微塑料處理時，利用過濾介質(zhì)的阻截作用去除一定粒徑范圍的塑料顆粒，能降低水中微塑料的含量。其中，濾膜的材質(zhì)和孔徑為技術(shù)核心，并對過濾操作條件的優(yōu)化也是該技術(shù)的重點。李經(jīng)緯[14]研發(fā)的一種實用型洗衣廢水微塑料去除裝置，該裝置包括PE棉過濾層和活性碳層，其對洗衣廢水中微塑料的去除率可達80%。

(3)光催化。利用具有光效應(yīng)的半導體材料，催化裂解塑料材料的C—C和偶聯(lián)，將其轉(zhuǎn)化為碳化燃料，能實現(xiàn)對塑料制品的完全降解。JIAO X C等[15]研究出的Nb2O5光催化材料只需40 h即可將聚乙烯光催化降解為CO2，且轉(zhuǎn)化效率高達100%。若合理設(shè)計并使用光催化劑，有望在自然環(huán)境下將微塑料高效轉(zhuǎn)化為多碳燃料，實現(xiàn)能源的回收利用。

4 結(jié)語

塑料的大量使用導致微塑料已廣泛存在于地球的各個角落。基于目前已被證實的微塑料對生態(tài)系統(tǒng)的毒害效應(yīng)，微塑料污染問題已引起各國重視。在已有的微塑料研究成果的基礎(chǔ)上，本文以微塑料對水環(huán)境的影響為要點，綜述了微塑料進入水環(huán)境的方式及遷移轉(zhuǎn)化途徑，分析了其對水環(huán)境中各種生物的影響，并初步探討了對水中微塑料可行的處理技術(shù)。

由于微塑料進入大眾視野的時間不長，研究還存在許多空白，包括微塑料的毒性、有效去除等?；诖?，對于該領(lǐng)域的研究可從以下幾個方面進行：

(1)開發(fā)具有易生物降解的塑料制品或替代品，并嚴格控制難降解塑料制品的生產(chǎn)使用，從源頭上控制微塑料進入環(huán)境。

(2)對已進入環(huán)境中的微塑料需詳細研究其對生態(tài)系統(tǒng)中各種生物的影響，闡明微塑料的毒性作用機制。

(3)研究微塑料在不同生態(tài)系統(tǒng)中的遷移方式，分析其轉(zhuǎn)化路徑。

(4)研發(fā)高效的微塑料處理技術(shù)和設(shè)備是應(yīng)對微塑料危害的重要途徑，也是末端治理的一種重要手段。