加強土壤微/納塑料研究 支持新污染物治理行動

涂 晨, 駱永明①

1.中國科學院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室(南京土壤研究所),江蘇 南京 210008;2.中國科學院大學,北京 100049〕

自20世紀50年代以來,全球塑料年生產(chǎn)量從1950年的1.70×106t激增到2020年的3.67×108t[1]。塑料的大量廣泛使用、不完善的廢物回收體系和不健全的廢物管理制度,導(dǎo)致大量塑料垃圾被丟棄而進入環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng),造成日益嚴重的塑料污染[2]。進入環(huán)境中的塑料垃圾在物理、化學和生物學作用下不斷發(fā)生風化、破碎和降解,形成微塑料(<5 mm)和納塑料(<1 μm)[3]。當前,環(huán)境中的微/納塑料污染已成為全球廣泛關(guān)注的熱點環(huán)境問題。微/納塑料尺寸微小且吸附性能強,致使其環(huán)境毒害效應(yīng)更加突出。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)已將微塑料列入全球性新污染物。2022年5月,我國國務(wù)院印發(fā)了《新污染物治理行動方案》,明確指出需加強微塑料等新污染物多環(huán)境介質(zhì)協(xié)同治理,加強微塑料等新污染物的生態(tài)環(huán)境危害機理研究。

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分,更是維護陸地生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)。有研究[4]指出,每年進入土壤環(huán)境中的微塑料通量明顯高于海洋,導(dǎo)致陸地微塑料豐度是海洋的4～23倍。土壤中微/納塑料的污染來源廣泛,包括農(nóng)膜使用、有機肥和化肥施用、污泥農(nóng)用和廢水灌溉、大氣沉降、地表徑流(包括輪胎磨損顆粒)和大塑料破碎等[5]。進入土壤環(huán)境中的微/納塑料在物理化學風化與生物降解轉(zhuǎn)化等作用影響下,其表面形貌及性質(zhì)、機械性能、對污染物的吸附能力和遷移轉(zhuǎn)化能力都發(fā)生了明顯變化,并可通過植物吸收和生物攝入進入食物鏈,進而對生態(tài)系統(tǒng)安全和人體健康構(gòu)成潛在威脅[5]。因此,亟待加強土壤中微/納塑料的來源、分布、行為、生態(tài)風險、食物鏈和健康風險等方面的研究,為我國農(nóng)田土壤微/納塑料污染的風險管控與治理提供科學依據(jù)和技術(shù)方法[6]。

為了更大范圍地交流和推進環(huán)境微/納塑料研究工作,《中國科學院院刊》和《科學通報》分別于2018和2021年先后組織出版了“環(huán)境微塑料污染與管控策略”和“環(huán)境微塑料”專題[6-7],但其中關(guān)于土壤微塑料,特別是土壤納塑料的研究論文非常有限。此次,在“第四屆全國(海洋)環(huán)境微塑料污染與管控學術(shù)研討會”開幕之際,我們在《生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報》上組織了“土壤環(huán)境微/納塑料與生態(tài)風險”專輯,旨在促進我國土壤環(huán)境微/納塑料的研究和學術(shù)交流,以更好地支持和服務(wù)于《新污染物治理行動方案》的貫徹落實。本專輯共收錄14篇論文,包括7篇綜述和7篇研究報告;作者來自中國科學院、生態(tài)環(huán)境部和教育部等相關(guān)單位的50余名從事土壤微塑料研究的專家學者、博士后和研究生;研究內(nèi)容涵蓋土壤環(huán)境微/納塑料的分析方法和污染特征、表面吸附和垂向遷移、生物生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)、老化降解和管控對策模塊,具體內(nèi)容如下:

(1)分析方法和污染特征。本模塊包括3篇論文。李雯星等[8]比較評估了前消解、后消解和前后消解3種處理方法對紅壤、褐土和黑土中9種類型微塑料的提取效果,優(yōu)化了土壤微塑料的消解與提取測定方法。楊杰等[9]調(diào)查了中國4個省份不同類別糞便(雞糞、牛糞、羊糞和豬糞)堆肥中微塑料的賦存特征及區(qū)域差異,證實了糞便堆肥是農(nóng)用地土壤微塑料的重要來源,估算了其對中國農(nóng)田土壤微塑料的年貢獻量。曹慧慧等[10]綜述了氣候因子作用下土壤微/納塑料污染特征及生態(tài)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)升溫、干旱、凍融與洪澇現(xiàn)象均能在一定程度上提高土壤微/納塑料豐度,并加速微/納塑料的老化。

(2)表面吸附和垂向遷移。本模塊包括2篇論文。單曉玲等[11]研究揭示了聚苯乙烯微塑料對土壤吸附泰樂菌素的影響過程與機制,發(fā)現(xiàn)添加微塑料均顯著提高4種土壤吸附泰樂菌素的能力,并受土壤類型、pH和離子強度等多種因素的影響,吸附機制為以疏水作用和靜電作用為主導(dǎo)的多相吸附。向黎等[12]通過中宇宙試驗裝置,探討了農(nóng)田土壤中不同生物因素(跳蟲、蚯蚓密度、植物根系)和非生物因素(微塑料的類型和老化、暴露時間、淹水)的變化對蚯蚓驅(qū)動土壤中微塑料垂向遷移的影響。

(3)生物生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)。本模塊包括7篇論文。李瑞杰等[13]基于室內(nèi)水培試驗,研究了不同溫濕環(huán)境條件下小麥幼苗對亞微米級(0.2 μm)聚苯乙烯微球吸收的量化特征,揭示了小麥吸收微球后的生長與生理狀態(tài)變化。李嘉等[14]比較了單一聚氯乙烯微塑料暴露、微塑料與不同濃度生物炭復(fù)合暴露條件下生菜的生長指標和生理生化指標,發(fā)現(xiàn)添加適量生物炭能夠緩解土壤微塑料的植物毒性。陳廣龍等[15]綜述了微塑料對陸生植物生長發(fā)育和根際環(huán)境影響的研究進展,包括對種子萌發(fā)與根系發(fā)育、植物生物量、光合作用、氧化應(yīng)激和抗氧化酶活性、細胞毒性和遺傳毒性、植物代謝和營養(yǎng)吸收、根際土壤性質(zhì)和根際微生物群落的影響。莫奧運等[16]綜述了微/納塑料對土壤動物的毒性作用,微/納塑料可在個體、組織器官和分子水平上引起蚯蚓、線蟲和跳蟲等土壤動物在生長發(fā)育、氧化應(yīng)激、運動行為、生殖和神經(jīng)等方面的毒性效應(yīng)。韋婧等[17]綜述了微塑料對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分循環(huán)和污染物相互作用的影響,進一步分析了微塑料對土壤微生物生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性、土壤酶活性,以及碳氮循環(huán)和污染物降解等土壤生物地球化學過程的影響。陳冠霖等[18]綜述了土壤微塑料對微生物及溫室氣體排放影響的研究進展,討論了微塑料如何通過改變土壤理化性質(zhì)、微生物酶和基因活性等方式影響CO2、N2O和CH4這3種典型溫室氣體的排放效應(yīng)、機制及影響因素。馮裕棟等[19]系統(tǒng)總結(jié)了土壤中的微/納塑料對植物、動物和微生物的影響及在陸地生物和食物鏈中傳遞的研究進展,提出未來需要加強土壤中微/納塑料的生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈傳遞的風險評估。

(4)老化降解和管控對策。本模塊包括2篇論文。周倩等[20]以聚乳酸基生物可降解塑料薄膜為研究對象,采用原子力顯微鏡-紅外光譜聯(lián)用系統(tǒng)研究了不同土壤溫度條件下微塑料表面在納米尺度上的老化特征變化。王偉平等[21]在分析土壤微塑料污染防治面臨問題的基礎(chǔ)上,提出了我國土壤微塑料污染防控對策建議,包括制定土壤微塑料監(jiān)測方法和標準、將微塑料納入土壤環(huán)境質(zhì)量標準管理體系、提高廢棄農(nóng)膜和農(nóng)藥包裝回收率、加強活性污泥資源化利用監(jiān)管和提升科技支撐能力,以及推動源頭治理、預(yù)防土壤微塑料污染等。

因篇幅有限,本專輯未能涉及土壤微/納塑料研究中其他一些重要內(nèi)容,如土壤微/納塑料高通量分離、檢測、表征的新方法,土壤微/納塑料物理化學與生物學轉(zhuǎn)化等界面過程,土壤微/納塑料與增塑劑等內(nèi)源性添加劑,重金屬、有機污染物和抗生素抗性基因及病原菌等外源性污染物的相互作用,微/納塑料在土壤中的生物降解過程與環(huán)境效應(yīng)等。希望通過本專輯的出版,能使國內(nèi)從事土壤微/納塑料研究的科研人員、工程師,以及產(chǎn)業(yè)界和管理部門有關(guān)人員進一步了解國內(nèi)外土壤微/納塑料研究現(xiàn)狀、進展和挑戰(zhàn),促進交流與合作,共同推動我國土壤微/納塑料領(lǐng)域持續(xù)快速的應(yīng)用基礎(chǔ)研究與治理技術(shù)發(fā)展。值此專輯出版之際,對參與本專輯的所有作者、審稿人以及《生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報》編輯部的大力支持與幫助表示誠摯的感謝!