不同類別糞便堆肥中微塑料賦存特征及區(qū)域差異

楊 杰,涂 晨,李瑞杰,3,馮裕棟,李連禎,駱永明①

1.中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所),江蘇 南京 210008;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,甘肅 蘭州 730000;4.青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266071〕

微塑料(<5 mm)是一種新興的環(huán)境污染物。陸地生態(tài)系統(tǒng)作為微塑料的重要來源地和聚集地,已逐漸受到關(guān)注[1]。長期存在于土壤中的微塑料會發(fā)生多種環(huán)境化學(xué)過程,吸附各類污染物和致病微生物、發(fā)生老化降解并進(jìn)一步在土壤中遷移,最終可能通過呼吸和攝食等途徑進(jìn)入人體而帶來潛在的健康風(fēng)險[2]。目前,有機(jī)肥施用造成微塑料在土壤中積累的研究[3]還較少。

畜禽糞便經(jīng)過長時間的自然發(fā)酵配合高溫烘干研磨,加入相應(yīng)的藥劑即可制成糞便堆肥。這類有機(jī)肥料施入農(nóng)田土壤中可以改善土壤質(zhì)量,提高作物產(chǎn)量[4]。研究發(fā)現(xiàn),在畜禽甚至是人的糞便中都有微塑料的存在[5-8]。然而,畜禽糞便堆肥中的微塑料污染問題仍然被公眾忽視。目前,大多數(shù)國家并未禁止在有機(jī)肥料中添加塑料,如澳大利亞的有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)允許堆肥中含有0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),以干重計)輕塑料和0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),以干重計)硬塑料[9];德國允許在有機(jī)肥中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的塑料[10]。而早期對有機(jī)肥中塑料的調(diào)查研究主要關(guān)注粒徑大于1 mm的(微)塑料碎片[10-12],糞便堆肥中微塑料,特別是粒徑<1 mm 的微塑料的污染情況鮮有報道。ZHANG等[13]調(diào)查了中國22個省份102個有機(jī)肥樣品中的微塑料(0.1～5 mm)污染情況,研究發(fā)現(xiàn)微塑料豐度在0～2 550個·kg-1之間;但該研究調(diào)查的有機(jī)肥大多為以糞便為主的復(fù)合有機(jī)肥,其中純糞便堆肥僅占18.6%。筆者前期研究發(fā)現(xiàn),在多年的豬糞樣品中檢測出微塑料,且長期施用豬糞的農(nóng)田土壤中存在微塑料積累情況[6]。施用糞便有機(jī)肥不可避免地將造成土壤中微塑料污染問題。當(dāng)前對不同地區(qū)和類別的商品化糞便堆肥中微塑料的污染情況尚不清楚。

該研究在前期工作的基礎(chǔ)上,選取中國不同地區(qū)和類別的糞便堆肥,包括雞糞(ChM)、牛糞(CM)、羊糞(GM)和豬糞(PM)。分析不同類別糞便堆肥中微塑料的分布和豐度特征以及糞便堆肥的區(qū)域差異,并估算施用糞便堆肥對土壤中微塑料的貢獻(xiàn),以期為進(jìn)一步評估糞便堆肥對農(nóng)田土壤中微塑料的貢獻(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品收集

共收集12種畜禽糞便堆肥,糞便種類包括ChM、CM、GM和PM,分別來自廣東(GD,廣州)、河南(HN,商丘)、河北(HB,石家莊)和山東(SD,棗莊和臨沂)4個省份(表1)。糞便堆肥均購買自購物網(wǎng)站(淘寶):萬畝地有機(jī)肥廠(廣州)、快樂鄉(xiāng)村農(nóng)產(chǎn)品銷售公司(石家莊)、豐滿園農(nóng)資公司(臨沂)、山東肥沃農(nóng)資有限公司(棗莊)和永城施倍得生物技術(shù)有限公司(商丘)。購買前確認(rèn)糞便堆肥均經(jīng)45～60 d高溫自然發(fā)酵(無添加劑),并人工干燥粉碎后裝袋。供試試劑均購買自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

表1 供試畜禽糞便堆肥及其含水率

1.2 糞便堆肥中微塑料的提取

由于糞便堆肥中有機(jī)質(zhì)含量較高且植物纖維和絮凝物質(zhì)較多,傳統(tǒng)的浮選分離方法無法有效的分離微塑料。在WEITHMANN等[10]的研究基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套糞便堆肥中微塑料的分離方法。準(zhǔn)確稱量5.0 g糞便堆肥放入玻璃瓶中振蕩20 min(25 ℃,200 r·min-1),使糞便堆肥與去離子水充分混合。然后將樣品緩慢倒入一組不銹鋼篩網(wǎng)中,其孔徑從上到下依次為4.75、1.00、0.5和0.053 mm。將篩子(孔徑為0.053 mm)放入裝有去離子水的燒杯中進(jìn)行淘洗,去除細(xì)小的無機(jī)顆粒。用去離子水將篩網(wǎng)上的物質(zhì)全部沖洗至燒杯并在低溫(60 ℃)條件下烘干。室溫條件下,向燒杯中加入10 mL體積分?jǐn)?shù)φ=30%的H2O2和10 mL 0.05 mol·L-1FeSO4。反應(yīng)結(jié)束后,將樣品轉(zhuǎn)移到電熱板上,繼續(xù)加入φ=30%的H2O2(60 ℃),直至無氣泡產(chǎn)生。用真空泵(GM-0.33,津騰,中國)將樣品過濾(濾膜用孔徑為20 μm的尼龍膜,Millipore,美國)。

1.3 糞便堆肥中微塑料的分析與鑒定

采用體式顯微鏡(S9i,Leica,德國)對濾膜上粒徑范圍為25 μm～5 mm的微塑料進(jìn)行統(tǒng)計計數(shù),大于5 mm的中塑料被排除。采用衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜儀ATR-FTIR(Nicolet iS10,Thermo Fisher,美國)和傅里葉變換顯微紅外光譜儀μ-FTIR(Nicolet iN10,Thermo Fisher,美國)對不同形狀的代表性樣品進(jìn)行聚合物成分分析(共檢測137個樣品,測定比例為20.8%)。光譜范圍設(shè)定為650～4 000 cm-1,掃描32次。聚丙烯(PP)包含聚(乙烯)丙烯共聚物,聚乙烯(PE)包括低密度和高密度聚乙烯,聚酯(PES)包括聚酯纖維和聚對苯二甲酸乙二醇酯。

1.4 質(zhì)量控制

實(shí)驗(yàn)過程中,為嚴(yán)格防止可能來自于外界的污染,實(shí)驗(yàn)所用容器均為玻璃或金屬材料;使用前用去離子水清洗并烘干備用;所有容器用鋁箔覆蓋,實(shí)驗(yàn)人員穿著防塵服。對不同肥料設(shè)置3次重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置6組空白對照組,空白處理中共發(fā)現(xiàn)6個聚酯纖維,在統(tǒng)計分析樣品時對纖維進(jìn)行扣除。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

所有檢出的微塑料都按顏色、粒徑、形狀和聚合物種類分類,測定所有糞便堆肥的含水率(表1),并將其換算為干重(個·kg-1)。數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0(單因素方差分析,Tukey HSD 檢驗(yàn),P<0.05)進(jìn)行統(tǒng)計分析,英文小寫字母不同表示不同類別畜禽糞便堆肥間某指標(biāo)的差異顯著性。采用Origin 2021軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 糞便堆肥中微塑料的顏色和粒徑分布

結(jié)果表明,所有供試糞便堆肥中均有微塑料檢出,不同糞便堆肥中微塑料的顏色和粒徑分布見圖1。所有糞便堆肥中共發(fā)現(xiàn)8種顏色微塑料,以透明、黑色、紅色和藍(lán)色微塑料為主,其中透明微塑料占比(24.1%～57.7%)最大。比較不同類別和不同地區(qū)糞便堆肥發(fā)現(xiàn),牛糞堆肥中透明微塑料占比(24.1%～36.7%)較少;山東糞便堆肥中透明微塑料占比(36.7%～57.7%)較多。這可能與畜禽飼料、養(yǎng)殖規(guī)?；蚨逊虱h(huán)境中微塑料沉降有關(guān)[13]。ZHANG等[13]的研究也發(fā)現(xiàn)透明/白色微塑料是糞便堆肥中提取出的微塑料中的主要部分(75.9%)。同樣在長期施肥土壤中,透明微塑料占比(72.8%)最多[6]。這些結(jié)果表明,糞便堆肥中透明微塑料對施肥土壤中透明類塑料有極其重要的貢獻(xiàn)。顏色是微塑料形成研究中重要的但一直被忽略的因素,研究表明,微塑料顏色越淺,吸光性越弱,紫外線透過率越高,光老化率越高,越易破損[14]。未來需要更多的關(guān)注不同糞便堆肥以及農(nóng)田中微塑料的顏色特征。

樣品名稱英文縮寫含義見表1。

所有糞便堆肥中微塑料按粒徑可劃分為0～1、>1～2、>2～3、>3～4和>4～5 mm 5組。微塑料粒徑以0～1 mm為主,占27.6%～69.5%(圖1)。進(jìn)一步對粒徑<1 mm的微塑料(圖1)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),雞糞和牛糞堆肥中粒徑為0～0.1 mm的微塑料較少,河北、山東的雞糞堆肥以及河南、山東的牛糞堆肥中均未發(fā)現(xiàn)粒徑<0.1 mm的微塑料,所有的羊糞堆肥中均有<0.1 mm的微塑料(占0～1 mm微塑料量的1.3%～15.2%),豬糞堆肥中<0.1 mm的微塑料占0～1 mm微塑料量的0%～16.2%。雞糞堆肥中<0.1 mm微塑料較少可能是由于相比于另外3種哺乳動物,雞的腸道較短,微塑料在消化道內(nèi)停留時間較短,微塑料未得到充分消化而使排出的糞便中粒徑<0.1 mm的微塑料較少。牛糞堆肥中<0.1 mm微塑料較少,可能與牛的食物源有關(guān)。在地區(qū)上也有差異,河南所有供試糞便堆肥(豬糞和牛糞)中未發(fā)現(xiàn)<0.1 mm的微塑料,而<0.1 mm的微塑料存在于廣東所有供試糞便堆肥(雞糞、牛糞和羊糞)中。地區(qū)和畜禽種類是造成畜禽糞便堆肥中微塑料粒徑差異的重要原因。RAMACHANDRAIAH等[15]指出,飼養(yǎng)過程中空氣、水和飼料都會有微塑料暴露風(fēng)險。空氣中微塑料的沉降和飼料中微塑料的不同可能導(dǎo)致畜禽攝入或吸入不同量的微塑料。以空氣為例,有研究表明,空氣中微塑料的粒徑特征表現(xiàn)出地區(qū)差異;城市空氣中>100 μm的微塑料比例高于郊區(qū),天津空氣中30～100 μm的微塑料比例大于北京、上海、南京和杭州[16]。粒徑是影響微塑料在環(huán)境中的去向的重要因素[15]。通常認(rèn)為粒徑<1 mm的微塑料會被土壤中的動物吞食且更易于向地下遷移而造成生態(tài)風(fēng)險[17-18]。CHEN等[19]發(fā)現(xiàn)<0.1 mm的PE微塑料被蚯蚓選擇性攝食且其體內(nèi)可能存在PE降解菌而使微塑料降解為粒徑更小的微塑料。因此,需特別關(guān)注施入土壤的糞便堆肥中粒徑<1 mm和<0.1 mm的微塑料。未來對糞便堆肥中微塑料的研究需結(jié)合飼料、畜禽特征和畜禽生活環(huán)境等因素綜合分析。

2.2 糞便堆肥中微塑料的形狀和成分分布

畜禽糞便堆肥中共發(fā)現(xiàn)纖維、碎片、薄膜和顆粒(不規(guī)則細(xì)粒)4種形狀微塑料。纖維和碎片是糞便堆肥中主要的微塑料形狀(74.6%～100%)(圖2)。比較不同類別糞便堆肥發(fā)現(xiàn),雞糞堆肥中薄膜占全部微塑料的比例相對較大(4.8%～11.6%);牛糞、豬糞堆肥中薄膜微塑料較少(0%～3.3%、0%～2.6%);在羊糞堆肥中不規(guī)則塑料細(xì)顆粒較多(2.2%～10.4%),雞糞堆肥中均未發(fā)現(xiàn)這類不規(guī)則細(xì)顆粒。從區(qū)域上分析,河南糞便堆肥(牛糞、豬糞)中薄膜(0%～0.7%)和顆粒(0%～0.5%)較少;河北糞便堆肥中薄膜和顆粒較多,尤其是羊糞堆肥(15.0%和10.4%)。微塑料形狀可以反映其可能的來源,纖維和碎片是最常見的微塑料形狀,廣泛存在于糞肥和施糞肥的土壤中[6,20]。另一項(xiàng)研究在調(diào)查豬糞和牛糞及其制成的肥料中的微塑料時也發(fā)現(xiàn)纖維比例遠(yuǎn)大于其他形狀微塑料[21]。糞便堆肥中的纖維類微塑料可能來源于畜禽攝食過程中攝入(微)塑料后排泄出的糞便,也可能來源于堆肥過程中微塑料在空氣中的沉降。由于紡織工業(yè)的快速發(fā)展,纖維普遍存在于各類環(huán)境介質(zhì)中,包括水、底泥、污泥和土壤[22];纖維也是空氣中微塑料的主要組成部分[23-24]。碎片類微塑料的主要來源則可能是飼養(yǎng)過程中的塑料包裝和容器發(fā)生破損進(jìn)入飼料[10];薄膜類微塑料可能來源于畜禽養(yǎng)殖中暴露的農(nóng)業(yè)薄膜進(jìn)入飼料或堆肥中[13]。而不規(guī)則的細(xì)小顆?？赡軄碓从谛笄蒿曫B(yǎng)中暴露的(微)塑料的次生破碎。

樣品名稱英文縮寫含義見表1。

FTIR和μ-FTIR鑒定結(jié)果表明,供試糞便堆肥中共含有聚酯(PES)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)和人造絲(RY)7種聚合物成分的微塑料,典型微塑料樣貌見圖3。其中,PES、PP和PE是糞便堆肥中微塑料的主要成分(87.8%～97.0%)(圖2)。

A—黑色聚酯(PES)纖維;B—綠色聚丙烯(PP)碎片;C—透明聚乙烯(PE)薄膜;D—紅色聚丙烯腈(PAN)纖維;E—紅色聚酰胺(PA)顆粒;F—白色聚苯乙烯(PS)碎片;G—藍(lán)色人造絲(RY)纖維。

所有的雞糞堆肥中都含有PS(1.2%～4.3%)。PAN和RY存在于大部分糞便堆肥中(0.5%～5.9%和2.6%～6.9%;河北的豬糞堆肥中未檢出PAN,河南的牛糞中未檢出RY)。PA僅在河北的羊糞堆肥(2.6%)和山東的豬糞堆肥(8.7%)中檢出。PES、PE和PP微塑料是糞便中最常見的微塑料類型[25]。在豬糞和豬大腸中也檢測出PES、PE、PP、PA和PS微塑料[26]。WEITHMANN等[10]調(diào)查了德國堆肥廠中堆肥的微塑料(粒徑為1～5 mm)后發(fā)現(xiàn)有PES、PE和PP的存在。這些材料的塑料制品被廣泛應(yīng)用于農(nóng)用品和塑料包裝材料(PES、PE和PP)以及紡織品(PES)[1,27-28]。PS具有絕緣性能,廣泛用于日常的包裝材料[29];PAN和RY纖維普遍用于紡織品并且存在于空氣中[30-33]。PA具有耐磨、彈性好等優(yōu)點(diǎn),在日常農(nóng)、漁業(yè)生活中常被作為繩索使用[34];PA也被廣泛應(yīng)用于包裝、電子、汽車和建筑等行業(yè)[35]。畜禽糞便堆肥中聚合物成分的差異表明糞便堆肥中微塑料受到飼料以及畜禽飼養(yǎng)和堆肥環(huán)境的復(fù)雜影響。未來需加強(qiáng)畜禽糞便中微塑料的溯源工作以確定其來源。

2.3 糞便堆肥中微塑料豐度

12種糞便堆肥中微塑料豐度為(2 054.8±493.9)～(9 131.0±600.7)個·kg-1(圖4A),平均豐度為(4 275.2±2 524.1)個·kg-1。河南豬糞堆肥中微塑料豐度最高,而該地區(qū)牛糞堆肥中微塑料豐度最低,差異顯著(P<0.05);河北羊糞堆肥中微塑料豐度也顯著高于同地區(qū)豬糞堆肥(P<0.05)。雞糞堆肥中微塑料豐度較為均一〔不同地區(qū):(3 631.9±2 388.1)～(3 683.7±2 882.1)個·kg-1〕,而豬糞堆肥中微塑料的地區(qū)差異較明顯〔河北豬糞堆肥中微塑料豐度僅為(2 458.7±1 159.9)個·kg-1;河南豬糞堆肥中微塑料豐度高達(dá)(9 131.0±600.7)個·kg-1〕。如果按類別將糞便堆肥中微塑料進(jìn)行劃分,牛糞堆肥和雞糞堆肥中微塑料豐度較低(圖4B)。此前的研究也發(fā)現(xiàn),牛糞含有的微塑料比豬糞少,推測可能由于微塑料在反芻動物體內(nèi)因消化過程較長而被完全消化[13,20]。在比較糞便堆肥中微塑料時,應(yīng)綜合考慮多種因素的影響,包括畜禽類別和地區(qū)因素。不同類別畜禽可能因飼料、攝食量、胃腸道消化時間和排便量等不同而造成糞便中微塑料豐度存在差異;不同地區(qū)由于飼養(yǎng)或者堆肥過程中,環(huán)境暴露的微塑料豐度不同也會造成堆肥中微塑料豐度差異。BERIOT等[7]發(fā)現(xiàn)在西班牙Murcia地區(qū)的蔬菜農(nóng)場中羊糞微塑料豐度為(0.997±0.971)個·g-1;華正罡等[26]發(fā)現(xiàn)遼寧沈陽某農(nóng)村中豬糞微塑料豐度達(dá)到112個·g-1,LWANGA等[5]發(fā)現(xiàn)墨西哥Campeche地區(qū)農(nóng)村雞糞中微塑料豐度高達(dá)(129.8±82.3)個·g-1。攜帶有微塑料的糞便堆肥作為重要的土壤調(diào)理劑,是農(nóng)田土壤微塑料的重要來源。而土壤中微塑料的長期積累會對土壤中的動物、植物、微生物及土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響[36]。目前,關(guān)于糞便堆肥中微塑料的數(shù)據(jù)仍然缺乏,對糞便堆肥在生產(chǎn)全過程中微塑料的積累研究十分必要。

樣品名稱英文縮寫含義見表1。左分圖中,柱子上方英文小寫字母不同表示不同樣品間微塑料豐度差異顯著(P<0.05)。

畜禽糞便是重要的有機(jī)肥來源,當(dāng)前中國畜禽糞污年產(chǎn)生量約為38億t,其中,畜禽糞便約為18億t[37]。據(jù)統(tǒng)計,被用于制作有機(jī)肥的糞便占畜禽糞便總量的比例僅為7.12%[38]。畜禽糞便中水分含量較高,含水率一般為72%～85%[39]。以80%的含水率估算,我國每年產(chǎn)生的糞便堆肥量約為2.6×107t。如果不考慮糞便類別和添加物,將這些糞便堆肥都施入土壤中,通過糞便堆肥中微塑料的平均豐度估算,每年對土壤中微塑料的貢獻(xiàn)量高達(dá)1.1×1014個。筆者研究中<1 mm的微塑料和<0.1 mm的微塑料數(shù)量分別占提取出的全部微塑料的44.3%和2.6%。如果以此來計算,每年進(jìn)入土壤中的<1 mm微塑料和<0.1 mm微塑料貢獻(xiàn)量分別達(dá)4.9×1013和2.9×1012個。這些微塑料如果進(jìn)一步風(fēng)化降解成粒徑更小的微/納米級塑料將會增加生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。

3 結(jié)論

該研究調(diào)查了不同地區(qū)及類別畜禽糞便堆肥中微塑料的污染狀況。結(jié)果表明,供試糞便堆肥中均檢出微塑料,透明、纖維狀和粒徑<1 mm的微塑料占大多數(shù)。不同類別糞便堆肥中微塑料豐度差異較大,平均豐度為(4 275.2±2 524.1)個·kg-1。微塑料賦存特征在畜禽種類和區(qū)域間存在差異,可能與受到飼料、飼養(yǎng)和堆肥環(huán)境等多種因素的影響有關(guān)。由于可能具有更高的生態(tài)風(fēng)險,未來需要更多地關(guān)注畜禽堆肥中粒徑<1 mm和<0.1 mm的微塑料。農(nóng)田施用糞便堆肥會導(dǎo)致微塑料污染而影響土壤環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量,必須重視和防范堆肥中微塑料污染及其可能給農(nóng)田帶來的風(fēng)險。該研究為糞便堆肥中微塑料污染的后續(xù)研究提供了參考,建議未來應(yīng)加強(qiáng)畜禽飼料和糞便堆肥中微塑料污染規(guī)律與減塑技術(shù)的研究,以有效監(jiān)管和削減農(nóng)田土壤中的微塑料。