武鳳霞,張淑彬,劉建斌
(北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,北京 100097)
塑料因其成本低、延展性好和經(jīng)久耐用等特點,為人類生產(chǎn)生活帶來極大便利。但大量廢棄塑料未及時有效回收處理,進入海洋、大氣和陸地中。全球塑料產(chǎn)量及廢棄量逐年增加,1950—2015 年總產(chǎn)量累計達78 億t(中國約占30%),其中得以回收的僅有約9%[1]。塑料是由多種合成或半合成有機物組成的聚合物材料,主要包括聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC)、聚酯類(Polyethylene terephthalate,PET)及聚酰胺(Polyamide,PA),在環(huán)境中經(jīng)物理破碎、化學(xué)分解或生物降解等會逐漸形成小的塑料碎片或顆粒。Thompson 等[2]將粒徑小于5 mm 的塑料類污染物稱為微塑料(Microplastics),隨著研究的深入,微塑料的分類越來越精細,2014 年國際自然保護聯(lián)盟(IUCN)定義尺寸小于5 mm 的為微塑料(Microplastics,MPs),尺寸小于100 nm 的為納米塑料(Nanoplastics,NPs)[3]。生態(tài)系統(tǒng)中微塑料因來源不同,又分為初級微塑料(人造微材料)和次級微塑料(由較大的塑料垃圾分解而產(chǎn)生),根據(jù)微塑料的形態(tài)特征不同,可分為纖維狀、碎片狀、球狀顆粒、發(fā)泡、薄膜等,微塑料具有體積小、比表面積大、疏水性強、吸附污染能力強等特性,可長期存在于環(huán)境中。
塑料污染問題日益嚴(yán)峻,已經(jīng)成為全球性的環(huán)境問題[4]。關(guān)于微塑料污染的研究熱點大多集中在海洋微塑料及其生物毒理學(xué)等方面[5,6]。微塑料在土壤中的積累將會影響土壤性質(zhì)和生物多樣性,土壤中廣泛存在微塑料污染問題的研究也逐年增加[7-10]。微塑料孔隙多、比表面積大,使其更易吸附其他污染物,可作為土壤中的重金屬、抗生素、致病菌等的載體,形成有機-無機復(fù)合污染,加速污染物在土壤中的遷移,給生態(tài)安全造成危害和影響[11]。土壤是微塑料巨大的儲存庫和環(huán)境污染源,開展微塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響及防控研究已迫在眉睫。
本研究通過總結(jié)、歸納國內(nèi)外最新的微塑料相關(guān)研究進展,系統(tǒng)地梳理中國陸地土壤中微塑料污染現(xiàn)狀及來源,重點歸納闡述微塑料對土壤微生物群落、酶活及抗性基因的影響,提出未來土壤微塑料污染研究方向,為進一步開展微塑料污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)影響及微塑料污染防控提供理論參考。
微塑料廣泛存在于全球陸地土壤中,伊朗、智利的農(nóng)田土壤中微塑料豐度分別為67~400、600~10 400 個∕kg[12,13];德國東南部土壤中PE、PS 微塑料的豐度均值為0.34±0.36 個∕kg[14];美國水上花園綠地土壤中PS、PE 微塑料含量濃度為334~3 068 個∕kg[15];墨西哥某園地土壤中檢測到的PE 微塑料平均含量為870±190 個∕kg[16]。中國作為塑料產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用大國,土壤中微塑料污染也受到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注,主要調(diào)查研究結(jié)果見表1。中國不同類型土壤中均檢出微塑料,且形態(tài)各異,類型豐富,其中PE、PP、PS 是中國土壤中較常出現(xiàn)的塑料類型[12-31]。
表1 中國土壤環(huán)境中微塑料污染現(xiàn)狀
塑料是人類生產(chǎn)活動的產(chǎn)物,環(huán)境中微塑料來源廣泛,與人類活動息息相關(guān),土壤環(huán)境較水體環(huán)境更為復(fù)雜,更有利于微塑料的輸入和積累,土壤中微塑料的主要來源途徑包括農(nóng)用地膜殘留分解、攜帶微塑料有機肥長期施用、污水等灌溉用水?dāng)y帶、大氣沉降等。
隨著地膜覆蓋種植技術(shù)的推廣,地膜在全世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用,中國被視為是世界上最大的塑料薄膜生產(chǎn)和消耗國家,2019 年中國的農(nóng)用塑料薄膜使用量達240 萬t,由于管理及回收效率低等原因,大量農(nóng)用地膜被丟棄在農(nóng)田中,中國某些地區(qū)地膜殘留量達105~120 kg∕hm2[32],這些地膜經(jīng)紫外線照射、機械翻耕等一系列物理化學(xué)作用,形成微塑料殘留于農(nóng)田土壤中。使用過塑料薄膜的農(nóng)田土壤微塑料含量(豐度為571 個∕kg)顯著高于未使用的(豐度為263 個∕kg)[28]。由于地膜大面積使用,新疆維吾爾自治區(qū)土壤中地膜殘留物含量為0.1~324.5 kg∕hm2,土壤微塑料含量與地膜覆蓋年限呈正相關(guān)[33]。地膜覆蓋5~30 年的旱區(qū)土壤中,粒徑>2 mm 的微塑料的濃度從91.2 mg∕kg 增加到308.5 mg∕kg[34]。Huang 等[29]調(diào)查了中國19 個省的覆膜土壤,結(jié)果發(fā)現(xiàn)地膜耗用量和土壤中塑料殘留量呈極顯著線性相關(guān),在連續(xù)覆蓋地膜5、15、24 年的棉田中,土壤微塑料的平均豐度分別為80.3±49.3、308.0±138.1 個∕kg 和1 075.6±346.8 個∕kg。地膜的大量使用和低回收率造成的農(nóng)膜殘留分解是農(nóng)用地土壤中微塑料污染的途徑之一。
利用有機廢棄物堆肥生產(chǎn)有機肥,既可以消納廢棄物,又可以為植物提供養(yǎng)分、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機碳庫。常用于堆肥的農(nóng)業(yè)廢棄物、污泥等常是微塑料含量較高的物料,已有研究檢測到堆肥中濃度高達1.20 g∕kg 的塑料[35],堆肥過程高溫和微生物活動會加速較大塑料顆粒破碎為微塑料,增加農(nóng)業(yè)土壤中的微塑料濃度。Yang 等[36]研究估計長期重復(fù)施用有機肥料的土壤中微塑料的平均年累計速率約為350±171 萬個∕hm2。Weithmann 等[37]調(diào)查應(yīng)用于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)及園藝土壤中的生物有機肥,發(fā)現(xiàn)粒徑大于1 mm 微塑料豐度介于14~895 個∕kg,其中多數(shù)微塑料粒徑介于2~5 mm,碎片類占比大于75%。Bl?sing 等[38]發(fā)現(xiàn)德國波恩的有機肥中存在粒徑大于0.5 mm 的塑料碎片,含量為2.38~180.00 mg∕kg。西班牙東部施用污泥堆肥有機肥土壤中微塑料的豐度介于2 130±950~3 060±1 680 個∕kg,顯著高于未施用污泥有機肥土壤[39]。關(guān)于中國有機肥中微塑料豐度尚未見報道,按照有機肥中調(diào)查的微塑料含量來估算,中國農(nóng)田土壤中每年投入土壤的微塑料為52.4~26 400.0 t[40]。多數(shù)國家尚未重視有機肥中的微塑料污染問題,澳大利亞允許有機肥中存在0.5wt%(干重計)的硬質(zhì)塑料和0.05wt%的輕質(zhì)塑料,德國允許有機肥中含有0.1wt%的塑料[41],中國有機肥標(biāo)準(zhǔn)中尚未有微塑料的限量。
當(dāng)降水量不足以滿足植物對水的需求時,灌溉是植物補充水分的重要農(nóng)藝措施,灌溉用水主要來源是地表徑流或流域水。研究證明,地表徑流和流域水存在微塑料污染,在長江流經(jīng)重慶至宜昌江段水體微塑料平均豐度為4 703±2 816 個∕m3,最高含量為12 611 個∕m3[42,43]。漢江武漢段微塑料豐度約為2 933 個∕m3,青藏高原的河流表層水中微塑料豐度約為725 個∕m3[44,45]。長江中下游的巢湖、鄱陽湖等湖泊表層水中微塑料豐度約為1 300 個∕m3[46],Mintenig 等[47]研究發(fā)現(xiàn)地下水中微塑料濃度為0~7 個∕m3。
許多發(fā)展中國家灌溉用水的主要來源是凈化后的污水,部分水資源匱乏的國家使用未經(jīng)凈化的污水直接灌溉農(nóng)田。污水中含有大量的微塑料,由于微塑料粒徑小,經(jīng)污水處理廠處理后也不能完全攔截去除。研究表明,大量的微塑料顆粒從廢水中釋放出來,通過灌溉進入農(nóng)田,污水處理廠處理后的水樣中仍含有1 000 個∕m3微塑料[47]。使用凈化后的污水灌溉農(nóng)田也可能導(dǎo)致微塑料進入土壤,造成土壤中微塑料積累。
隨著微塑料研究熱度增加,有學(xué)者關(guān)注大氣沉降帶來的土壤微塑料污染[48]。Dris 等[49]在巴黎市區(qū)調(diào)查微塑料沉降量為29~280 個∕m2,折合每年通過大氣沉降物進入土壤的微塑料纖維高達10 t。周倩等[41]報道中國濱海城市大氣環(huán)境中微塑料的類型、沉降通量等特征,發(fā)現(xiàn)濱海城市大氣微塑料沉降通量可達1.46×105個∕m2,且均以小于0.5 mm 的顆粒為主,其中纖維類達1.38×105個∕m2。廣東東莞大氣中微塑料每天的沉降量為175~313 個∕m2[50]。Liu等[51]調(diào)查發(fā)現(xiàn),上海大氣中每年懸浮的微塑料總重量為120.72 kg。田媛等[52]調(diào)查比較環(huán)渤海沿海城市大氣微塑料的分布特征發(fā)現(xiàn),煙臺、天津和大連微塑料年沉降量分別為2.7×104、8.9×104個∕m2和7.2×104個∕m2,這些懸浮在大氣中的微塑料隨氣流運動沉降進入土壤,成為土壤微塑料的重要來源。
微塑料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可在土壤中長期存在,受到土壤質(zhì)地、土壤生物活動、植物生長、農(nóng)藝措施及土壤淋溶等因素的綜合影響,遷移過程較為復(fù)雜。有研究表明,地表土壤微塑料會隨地表徑流和風(fēng)力的作用而在不同環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生水平遷移,如從陸地遷移至水體中[8]。由于土壤具有很多孔隙,微塑料會在降水滲漏和重力的作用下進入到深層土壤中,發(fā)生土壤中的垂直遷移。Grayling 等[53]研究表明,粒徑為0.1~6.0 mm 的顆??赏ㄟ^淋溶作用沿土壤孔隙遷移,在土柱中發(fā)生垂直移動。生物擾動和耕作等也可能導(dǎo)致微塑料顆粒在農(nóng)田土壤中運移[54]。Rillig 等[55]研究發(fā)現(xiàn),微塑料可黏附在蚯蚓上,隨蚯蚓活動在土壤中垂直遷移,且微塑料粒徑越小,越易于遷移;Maab 等[56]研究2 種彈尾蟲對不同粒徑微塑料的遷移影響發(fā)現(xiàn),2 種彈尾蟲都可以移動和分布微塑料,且不同物種之間微塑料的遷移距離存在顯著差異。當(dāng)微塑料不斷分解形成納米顆粒(<0.1 μm)時,植物根系吸收能使納米塑料轉(zhuǎn)移到土壤上層,經(jīng)無脊椎動物或昆蟲吞食后又被雞等動物捕食,使納米塑料沿食物鏈傳遞。李連禎等[57]研究發(fā)現(xiàn),生菜不僅可以吸收微塑料,還可將微塑料運輸?shù)角o葉之中,因此微塑料很有可能通過食物鏈進入到人體,不僅威脅農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康,還可能會對人體消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等產(chǎn)生潛在危害。
土壤微生物對土壤生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要,增強土壤微生物活性可加速土壤碳、氮、磷等營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化和釋放,從而促進營養(yǎng)元素在植物和土壤間的遷移[58]。微塑料及攜帶的有毒污染物進入土壤后,可能還會引起土壤微生物(微生物生物量和活性、群落結(jié)構(gòu)、多樣性、代謝功能等)及生態(tài)過程(土壤呼吸強度和酶活性)變化,進而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康。
微塑料對土壤微生物影響研究主要集中在對微生物生物量、活性、群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響。由于影響評價受微塑料形狀(線形、非線性)、大小、添加劑含量、組成及土壤理化、結(jié)構(gòu)等多方面因素影響,很難準(zhǔn)確描述微塑料對土壤微生物的影響。
微塑料會對土壤微生物群落、代謝活性等方面造成一定的選擇性壓力。Fei 等[59]在浙江臨安農(nóng)田土壤中發(fā)現(xiàn)1%~5%聚乙烯(PE)和5%聚氯乙烯(PVC)顆粒均會降低土壤細菌群落豐度和多樣性,且能顯著增加伯克氏菌屬(Burkholderiaceae)相對豐度,而顯著抑制鞘脂單胞菌(Sphingomonadaceae)、黃色桿菌(Xanthobacteraceae)屬的細菌豐度。Qian等[60]研究發(fā)現(xiàn),殘留農(nóng)用地膜會顯著改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),新疆使用農(nóng)用地膜地塊土壤放線菌顯著減少,而變形菌門豐度顯著增加。Wang 等[61]研究微塑料對土壤細菌群落演替和時間更替的影響發(fā)現(xiàn),微塑料可顯著改變土壤細菌的群落結(jié)構(gòu),且群落差異隨培養(yǎng)時間呈線性增加,表明微塑料可能加快了土壤細菌群落的演替速度。研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物的代謝能力隨PA、PE、polyester 濃度增加而增加,隨PS、PET 濃度的增加而降低[62]。Ren 等[63]研究發(fā)現(xiàn),5%PE 微塑料可以降低N2O 釋放量并且對土壤微生物造成選擇性壓力。Awet 等[64]證實納米微塑料對土壤微生物的短期毒害作用。丁峰等[65]研究發(fā)現(xiàn),低分子量(2 000)聚乙烯能夠顯著降低土壤中細菌和真菌的豐度,但高分子量(100 000)聚乙烯則相反。Yang 等[66]研究發(fā)現(xiàn),0.1%和1%的PVC 微塑料35 d 內(nèi)沒有對整個土壤細菌多樣性和組成造成顯著影響,但一些細菌屬卻呈顯著增加或減少的趨勢。
微塑料對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性無顯著影響,Judy 等[67]研究顯示,不能證明微塑料(PE、PVC、PET)對土壤微生物多樣性有影響。Huang等[68]研究顯示,微塑料對土壤微生物群落α 多樣性(豐富度、均勻度和多樣性)無明顯影響。PLA、LDPE、PP 微塑料對土壤微生物群落組成、優(yōu)勢類群相對豐度及生物活性物無顯著影響[69,70]。微塑料可能會干擾土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢種群,盡管影響結(jié)果存在不確定性,但微塑料對土壤微生態(tài)仍具有潛在威脅,不同微塑料種類和濃度對不同微生物群落結(jié)構(gòu)和種群的影響仍需進一步研究。
4.2.1 微塑料有利于生物膜的形成 土壤微塑料可以為微生物提供吸附位點,也是特定微生物的轉(zhuǎn)移載體[71],使微生物可長期生存于微塑料的表面并形成生物膜,形成明顯不同于土壤的微生物群落,當(dāng)土壤微生物長期、高濃度暴露于微塑料就會降低繁殖能力和生長速度。Huang 等[68]通過16S rRNA 高通量測序分析微塑料和周邊環(huán)境土壤樣品的微生物群落結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)土壤微生物群α 多樣性指標(biāo)(豐富度、均勻度、多樣性)不受PE 影響,但PE 微塑料碎片上的生物多樣性指數(shù)顯著低于對照和處理土壤,培育微塑料90 d 后發(fā)現(xiàn)試驗處理土壤和對照土壤中微生物組成明顯不同,且PE 碎片上定殖了明顯不同于其他樣品的細菌群落,以具有塑料降解功能的細菌和病原體居多。Parrish 等[72]研究魚和廢水中微塑料生物膜的功能中也提到微塑料形貌和表面結(jié)構(gòu)的不同可造成其表面生物膜組成和微生物群落結(jié)構(gòu)的差異,已有研究證實微塑料會引起Proteobacteria、Bacteroidetes、Gemmatimonadetes、Actinobacteria、Nitrospirae等微生物富集。 Kettner 等[73]在聚乙烯和聚苯乙烯顆粒上檢測到大量寄生真菌和腐生真菌。
4.2.2 微塑料通過添加或吸附其他有毒有害污染物影響土壤微生物 微塑料對抗生素、重金屬和有毒污染物有很強的吸附能力[74-76],而這些污染物會對土壤微生物區(qū)系、土壤理化性質(zhì)乃至植物生長產(chǎn)生不同程度的影響。微塑料中含有的添加劑,如鄰苯二甲酸鹽、雙酚、重金屬等均對土壤微生物活性有抑制作用,從而影響微生物的繁殖代謝[77]。Kong等[78]研究發(fā)現(xiàn),鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)會改變土壤-蔬菜生態(tài)系統(tǒng)中土著細菌的多樣性,進而改變農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的功能。
土壤酶與土壤有機質(zhì)礦化分解、養(yǎng)分循環(huán)和能量流動等生物化學(xué)過程密切相關(guān),是調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵。微塑料影響多種土壤酶的活性,由于微塑料對土壤生態(tài)過程的影響受微塑料的形狀(線形、非線性)、大小、添加劑量、組成以及土壤結(jié)構(gòu)的影響,因此相關(guān)研究結(jié)果也存在很大差異。Fei 等[59]發(fā)現(xiàn)土壤中聚乙烯(HDPE)和聚氯乙烯(PVC)會抑制熒光素二乙酸酯水解酶活性,提高了脲酶和酸性磷酸酶活性,表明添加微塑料在一定程度上加快了土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)。Awet 等[64]將聚苯乙烯納米塑料加入土壤培養(yǎng)28 d 后發(fā)現(xiàn),土壤脫氫酶和參與土壤碳、氮、磷循環(huán)的酶活性顯著降低,主要包括亮氨酸氨肽酶、堿性磷酸酶、β 葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶。Huang 等[68]研究發(fā)現(xiàn),添加LDPE能顯著提高土壤脲酶(URE)和過氧化氫酶(CAT)活性。微塑料對土壤酶活性的影響和濃度相關(guān),添加0.05%~0.40%的聚丙烯微塑料會抑制熒光素二乙酸酯水解酶活性[62]。Liu 等[79]研究發(fā)現(xiàn),添加7%、28%聚丙烯微塑料可增加土壤熒光素二乙酸酯水解酶(FDAse)和磷酸酶活性,降低酚氧化酶(PO)活性。Wang 等[77]研究顯示,塑料薄膜殘留量為67.5 kg∕hm2時,熒光乙酸乙酯水解酶活和脫氫酶活性會分別降低10%、20%。Yang 等[66]發(fā)現(xiàn)極端高濃度PP(28%,w∕w)可以促進土壤基礎(chǔ)呼吸代謝增加,顯著激發(fā)沙壤土熒光乙酸乙酯水解酶活性。微塑料對土壤酶活的影響具體見表2。
表2 微塑料對土壤酶活的影響
微塑料高表面積是不同微生物基因交換的熱點,因而有可能增加介質(zhì)中抗性基因的傳播,微塑料與抗生素抗性基因之間的相互作用會帶來潛在生態(tài)風(fēng)險。Lu 等[80]研究微塑料對水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)抗性基因消減的影響發(fā)現(xiàn),微塑料促進抗性基因的積累。黃福義等[81]研究微塑料對河口沉積物中抗生素抗性基因的影響發(fā)現(xiàn),聚乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯醇微塑料均顯著增加了抗生素抗性基因的絕對豐度,其中聚乙烯微塑料增加了近1 個數(shù)量級,可移動遺傳元件促進了這些抗性基因的傳播和擴散。
Lu 等[82]研究發(fā)現(xiàn),具有較大粒徑、老化程度較高或土壤中存留時間較長的微塑料對抗生素和抗性基因的吸附能力更強,且增加了可移動遺傳元件的豐度,促進抗生素抗性基因的傳播。Sun 等[83]對抗生素和抗性基因污染的土壤添加微塑料培養(yǎng)發(fā)現(xiàn),0.1%質(zhì)量濃度聚丙烯微塑料能夠抑制四環(huán)素及其相應(yīng)抗性基因在土壤中的擴散,可能由于微塑料殘留降低了土壤持水能力,從而減少了土壤中可溶性四環(huán)素的含量。盡管影響存在不確定性,但微塑料和抗生素的復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)仍具有潛在威脅,不同微塑料種類和濃度對不同抗生素抗性基因的影響和傳播機制仍需研究[4]。
本研究通過文獻梳理,綜述了中國土壤生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的污染現(xiàn)狀、來源、環(huán)境遷移及對土壤生態(tài)效應(yīng)等方面的研究進展。土壤中廣泛存在微塑料,對土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與功能帶來一定的影響。為進一步闡明微塑料污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響,根據(jù)已發(fā)表的文獻,可以從以下幾個關(guān)鍵方面開展深入研究。
1)對土壤中微塑料污染行為和風(fēng)險認識極其有限,土壤環(huán)境的復(fù)雜性給微塑料的調(diào)查分析造成一定影響,不同研究報告豐度描述多樣,且不同來源對土壤中微塑料的貢獻率也無法明確,因此建立統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化、高效、準(zhǔn)確的各類型土壤微塑料快速收集、分離、鑒定、監(jiān)測方法是深入認識土壤微塑料污染狀況及生態(tài)效應(yīng)的基礎(chǔ)和先決條件。
2)微塑料對土壤生態(tài)環(huán)境影響的研究大部分都是在實驗室條件下模擬進行,研究結(jié)果雖有一定參考價值,但未能體現(xiàn)微塑料對土壤環(huán)境的實際影響。因此,亟需開展原位條件下,微塑料對土壤環(huán)境中土壤動物、微生物及植物的影響機制,以期能客觀、真實地評估微塑料對土壤理化性質(zhì)、微生物和作物等的脅迫效應(yīng)。
3)在原位試驗條件下,解析微塑料圈負載的微生物群落組成及特征,分析微塑料圈微生物與周圍土壤微生物群落生態(tài)差異的生態(tài)機制,進而分離、篩選微塑料降解菌(群)并闡明降解機制和途徑,為微塑料污染原位生物修復(fù)及土壤中微塑料的污染防控提供科學(xué)依據(jù)。