濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料污染及遷移轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展

許銘宇

（1 深圳坤元生態(tài)科技有限公司，廣東 深圳 518021；2 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、工業(yè)化的水平提高和人口劇增，由此產(chǎn)生了大量的塑料污染，對(duì)人類(lèi)健康和自然生態(tài)環(huán)境已構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。微塑料是指直徑小于5 mm 的塑料碎片或顆粒（Thompson et al.,2004），具有體積小、比表面積大、吸附污染物能力強(qiáng)等特點(diǎn)（屈沙沙等,2017）。微塑料污染已分布和滲透地球各個(gè)角落，在南太平洋（Bakir et al.,2020）、南北極（González et al.,2020;Fang et al.,2021）、阿爾卑斯山（Melanie et al.,2019）等偏遠(yuǎn)地區(qū)已檢測(cè)出各種各樣的微塑料，表現(xiàn)出其在物理作用下具有強(qiáng)大的遷移能力，而在潮間帶（孫聰惠，2018）、河流（Niu et al.,2021；Wang et al.,2021）、湖泊（Manikanda et al.,2021）、濕地（Liu et al.,2019）、水庫(kù)（Li et al.,2021）、污水處理廠（Bayo et al.,2020）、農(nóng)田（程萬(wàn)莉等，2020）更是普遍存在，均能檢測(cè)出不同類(lèi)型和不同粒徑大小及不同顏色的微塑料。在自然界的生命體中，也避免不了遭受微塑料的危害，比如在鳥(niǎo)類(lèi)（Reynolds et al.,2018）、魚(yú)類(lèi)（Cordova et al.,2020）、蜻蜓幼蟲(chóng)（Chagas et al.,2020）等生物體內(nèi)，以及在人類(lèi)經(jīng)常食用和飲用的雞肉（Huang et al.,2020）、食鹽（Gündogdu,2018）、自來(lái)水和啤酒中（Mary et al.,2018）也檢測(cè)出含有微塑料。

近年來(lái)，關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的前沿科學(xué)研究呈指數(shù)增長(zhǎng)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究得出濕地作為介于海洋和陸地之間的重要生態(tài)系統(tǒng)，微塑料已廣泛分布于沉積物、水體及植物、鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)類(lèi)等生物中，嚴(yán)重危害濕地生態(tài)資源環(huán)境。本文通過(guò)文獻(xiàn)資料調(diào)查，分析了微塑料在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的來(lái)源，綜述了微塑料的污染特征和遷移轉(zhuǎn)化以及對(duì)生物毒理的影響，為我國(guó)開(kāi)展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)中微塑料污染特征、生物毒性效應(yīng)和污染防控等方面的基礎(chǔ)應(yīng)用研究提供參考。

1 濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的來(lái)源、污染特征及遷移轉(zhuǎn)化

1.1 濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的來(lái)源及污染特征

濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料主要來(lái)源于污水處理廠中生活污水和工業(yè)廢水排放、雨水地表徑流攜帶物、大氣運(yùn)輸沉降、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖以及人類(lèi)活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的塑料廢物（許霞等,2018）。在自然環(huán)境中的微塑料可以被魚(yú)類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)、植物等生物攝入，然后再次釋放到環(huán)境中，由此在濕地中不斷積累沉淀（Horton et al.,2018;Lourenco et al.,2017）。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料檢測(cè)中的主要聚合物組分有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）、聚苯乙烯（PS），可能歸根于這4 種塑料的高生產(chǎn)性（Tom et al.,2018）和與其它聚合物相比更具有抗降解能力（Paduani et al.,2020）。濕地中最為常見(jiàn)的塑料形態(tài)為纖維、碎片、薄膜。Lourenco 等（2017）在南歐和西非3 個(gè)潮間帶濕地沉積物進(jìn)行微塑料分布檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)纖維含量最多，高達(dá)99.8%，纖維塑料中有各種顏色，包括有黑色（36.3%）、白色（28.8%）、藍(lán)色（15.5%）、紅色（1.1±1.7%）、綠色（5.1%）、棕色（2.7%）。Naji 等(2019)對(duì)伊朗拉姆薩爾濕地研究發(fā)現(xiàn)纖維（56%）是鑒定出的最常見(jiàn)的微塑料類(lèi)型，其次是碎片（35%）、薄膜和顆粒各占4%，主要顏色有黑色（41%）、藍(lán)色（18.4%）、白色（17.6%）、綠色（8.2%）、紅色（7%）、橙色（4%）、粉色（3.2%）。

1.2 濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的遷移轉(zhuǎn)化

微塑料在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化途徑具有規(guī)律性，一般在水土環(huán)境及不同生物之間進(jìn)行遷移和轉(zhuǎn)化。由于濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料顆粒物的大小范圍與許多鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)類(lèi)、蚯蚓、浮游動(dòng)物的食物大小類(lèi)似，常常被誤食（Lusher et al.,2017）。Chevonne 等（2018）對(duì)南非濕地系統(tǒng)中7 種鴨的糞便和羽毛刷中的微塑料污染物進(jìn)行了量化，發(fā)現(xiàn)5%的糞便樣本和10%的羽毛樣本含有微塑料纖維。劉淑麗等（2019）對(duì)馬來(lái)西亞Setiu 濕地研究證明微塑料會(huì)被濾食雙殼貝類(lèi)和魚(yú)類(lèi)攝入，且微塑料可從外環(huán)境轉(zhuǎn)移到生物體內(nèi)，大部分的微塑料可通過(guò)動(dòng)物糞便排出體外，從而又進(jìn)入到水土環(huán)境中，形成了微塑料物質(zhì)循環(huán)。濕地環(huán)境中最主要的塑料聚合物組分為PE 和PP，這兩種類(lèi)型的聚合物密度都比較小，比表面積大，容易漂浮在水中，一部分會(huì)隨著水流沖走，另一部分會(huì)滯留在水中，然后吸附水體環(huán)境中的污染物使其重量增加，因此，密度小的微塑料能從水中遷移至沉積物中（翟俊等,2021），而像PS 和PVC 這類(lèi)高密度微塑料能直接下沉并積累在沉積物中（Franzellitti et al.,2017）。

1.3 微塑料污染的濃度效應(yīng)

微塑料粒徑相對(duì)較小，易與環(huán)境中的生物相互作用，可通過(guò)多種不同途徑進(jìn)入生物體內(nèi)，并在其組織和器官中積存和轉(zhuǎn)移，不同微塑料濃度對(duì)濕地生物的危害程度不一致。蚯蚓暴露在濃度為1.5 g/kg 低密度聚乙烯中在28 d 后出現(xiàn)表面損傷，在濃度為1.0 g/kg 時(shí)，過(guò)氧化氫酶活性和丙二醛含量顯著提高（Chen et al.,2020）。螃蟹在增重率、比生長(zhǎng)率和肝體指數(shù)隨微塑料濃度（0μg/L、40μg/L、400μg/L、4 000μg/L 和40 000μg/L）的增加而降低，而且還降低了編碼ERK、AKT 和MEK 的基因表達(dá)（Yu et al.,2018）。長(zhǎng)期生活在微塑料濃度高于200 個(gè)/L 的環(huán)境中，大菱鲆幼魚(yú)的死亡率顯著增加（李慶潔等,2020）。當(dāng)然，微塑料污染除了跟濃度有很大關(guān)系，也跟其材質(zhì)類(lèi)型、尺寸大小有著密切聯(lián)系。

表1 濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的污染特征Table 1 Pollution characteristics of microplastics in wetland ecosystems

2 微塑料對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響

2.1 微塑料對(duì)濕地動(dòng)物的影響

濕地動(dòng)物主要包括鳥(niǎo)類(lèi)、爬行類(lèi)、兩棲類(lèi)、魚(yú)類(lèi)、獸類(lèi)、無(wú)脊椎動(dòng)物甲殼類(lèi)等。微塑料顆粒相對(duì)較小，可被大量動(dòng)物誤以為是食物，從而攝入到體內(nèi)，導(dǎo)致胃腸道堵塞、細(xì)胞壞死、炎癥等（Seon et al.,2016）。劉淑麗等（2019）在鄱陽(yáng)湖濕地鳥(niǎo)糞內(nèi)檢測(cè)到顆粒類(lèi)微塑料。Huang 等（2020）在湛江紅樹(shù)林濕地魚(yú)類(lèi)體內(nèi)發(fā)現(xiàn)有微塑料，而且廣泛存在。Hu 等（2016）發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯微塑料可以被濾食性熱帶爪蟾蝌蚪較快地?cái)z取和排出，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了水體中青鳉魚(yú)口腔和腸道等部位均有微纖維，在研究階段微纖維未對(duì)成魚(yú)的生長(zhǎng)狀況和胚胎發(fā)育等造成顯著危害。李勤（2020）等研究了聚氯乙烯對(duì)大型溞的毒性反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)微塑料的暴露對(duì)其生長(zhǎng)和繁殖都產(chǎn)生了不利影響。

2.2 微塑料對(duì)濕地植物的影響

植物是濕地環(huán)境系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，在養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中起著重要作用（郭雪蓮等,2007），實(shí)驗(yàn)室和自然生長(zhǎng)條件均已發(fā)現(xiàn)微塑料對(duì)植物影響的相關(guān)報(bào)道（Yang et al.,2020;Li et al.,2020）。翟俊等（2021）將微塑料對(duì)植物的影響分為直接影響和間接影響。

直接影響是指水土環(huán)境中的微塑料通過(guò)被植物吸收到體內(nèi)，阻隔植物吸收有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物從而抑制植物生長(zhǎng)。Yang 等（2020）研究發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯（PS）納米塑料對(duì)大型植物香蒲的根系活力產(chǎn)生抑制作用，從而減少了對(duì)氮的吸收。Sun 等（2020）將兩種聚苯乙烯納米塑料與土壤混合然后種植擬南芥，發(fā)現(xiàn)兩種不同類(lèi)型的納米塑料均能影響擬南芥生長(zhǎng)表型，其根系生長(zhǎng)也受到了抑制，地上鮮重比對(duì)照植物減少51.5%。吳佳妮等（2020）發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯納米塑料在濃度200 mg/L 時(shí)，對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的毒害作用最大。Wu 等（2020）發(fā)現(xiàn)微塑料可以改變水稻的代謝系統(tǒng)來(lái)影響水稻的產(chǎn)量，使其生物量降低了25.9%。廖苑辰等（2019）研究了聚苯乙烯微塑料對(duì)小麥的毒理作用，發(fā)現(xiàn)小麥的根和莖生長(zhǎng)受到了抑制，對(duì)其葉片光合系統(tǒng)產(chǎn)生了損害。

間接影響指的是不同類(lèi)型和粒徑的微塑料通過(guò)改變植物生境的方式影響濕地植物，主要為土壤環(huán)境、水體環(huán)境和大氣環(huán)境等因子的影響。Hernández等（2020）利用含有微塑料的污泥土壤作為基質(zhì)種植番茄，發(fā)現(xiàn)番茄的生長(zhǎng)不僅沒(méi)有受到抑制，反而促進(jìn)了成長(zhǎng)，但減少了果實(shí)的產(chǎn)量。李瑞杰等（2020）發(fā)現(xiàn)小麥在砂培條件下能吸收聚苯乙烯微球，塑料微球進(jìn)入根部維管柱后,通過(guò)維管組織運(yùn)輸?shù)降厣喜康那o部維管束和葉片的脈管組織中，從而抑制植物生長(zhǎng)。目前大多數(shù)研究只局限于實(shí)驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)，與實(shí)際環(huán)境還存在差別，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)野外微塑料污染對(duì)植物影響的機(jī)理研究。

2.3 微塑料對(duì)濕地微生物的影響

微生物在濕地生態(tài)系統(tǒng)中是不可或缺的重要組成部分，參與濕地能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和代謝，是濕地系統(tǒng)的分解者，在污染物降解過(guò)程中發(fā)揮重要作用（鄭春雨等,2012）。微塑料的存在會(huì)影響微生物的組成和代謝活性，例如，F(xiàn)ei 等（2020）通過(guò)添加1%和5%的聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）微塑料，降低土壤細(xì)菌群落的豐富度和多樣性。雖然大部分研究證明微塑料會(huì)影響微生物結(jié)構(gòu)及多樣性，但也存在可降解微塑料的微生物細(xì)菌，當(dāng)微生物把微塑料聚合物作為碳源時(shí)，可將塑料聚合物礦化為二氧化碳和水（Emadian et al.,2017）。Mohan等（2016）發(fā)現(xiàn)了新分離的芽孢桿菌菌株具有降解高抗沖聚苯乙烯（HIPS）的功效，用芽孢桿菌菌株降解后，30 天內(nèi)高抗沖聚苯乙烯膜的重量減少了23%。Keiko 等（2001）分離出應(yīng)用于聚乙烯生物降解的真菌Penicillium simplicissimum。這些研究表明在自然界中存在某些能降解微塑料的功能型微生物菌。利用微生物處理法來(lái)降解微塑料具有環(huán)保能耗低、費(fèi)用低、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，因此，在微塑料防控中有較好應(yīng)用前景。

3 研究展望

濕地生態(tài)系統(tǒng)中的鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)類(lèi)、兩棲動(dòng)物、植物等各組成要素的生物體內(nèi)均檢測(cè)有微塑料含量，在濕地沉積物和水體中的微塑料豐度最高，而且暴露在濕地水土環(huán)境中的微塑料更容易富集其它有機(jī)污染物和重金屬，由此形成了復(fù)合型環(huán)境污染物。微塑料污染已全面入侵濕地生態(tài)系統(tǒng)，嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡。目前，雖然國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者關(guān)注到濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料污染所造成的潛在危害，但關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的基礎(chǔ)研究還處于初步實(shí)驗(yàn)室階段，而對(duì)于如何降解和去除微塑料的應(yīng)用研究更是處于空白階段。因此，建議從以下4 個(gè)方面開(kāi)展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)微塑料新型污染物的研究工作。

1）大部分動(dòng)物在濕地生態(tài)系統(tǒng)中屬于消費(fèi)者，食物鏈較為復(fù)雜。濕地中的動(dòng)物種類(lèi)豐富，目前國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)在濕地、農(nóng)田和水體等環(huán)境中蝌蚪、蚯蚓、魚(yú)類(lèi)及鳥(niǎo)類(lèi)均有微塑料含量，主要偏向于生物毒性效應(yīng)研究，缺乏系統(tǒng)性的研究，其相互間的作用機(jī)理尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。以動(dòng)物之間攝食的關(guān)系為主線(xiàn)，可開(kāi)展生物毒性與環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系研究。

2）植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的組成部分，承擔(dān)著為魚(yú)類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)和微生物提供棲息地的角色，同時(shí)在濕地的氮磷等污染物吸收、根系輸氧、生態(tài)景觀功能等方面也起著重要作用。雖然對(duì)于植物體內(nèi)是否存在微塑料的報(bào)道相對(duì)較少，但目前已有相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)濕地植物體的根莖葉均有微塑料分布，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，同時(shí)也對(duì)減弱了植物凈化污染物的能力。為摸清不同科屬或不同喬灌草植物體內(nèi)的微塑料分布特征及其對(duì)不同植物生長(zhǎng)的影響研究具有重要意義。

3）環(huán)境微生物是否能降解微塑料，這是當(dāng)前相關(guān)學(xué)者最為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一?，F(xiàn)有研究表明，自然界存在部分可降解微塑料的微生物，但多集中在實(shí)驗(yàn)室階段，與實(shí)際應(yīng)用還有一定差距。在將來(lái)的研究中可重點(diǎn)應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)培養(yǎng)功能型微生物，研發(fā)能有效降解和去除微塑料的微生物菌劑，為減少環(huán)境微塑料污染提供技術(shù)支持。

4）自然界中的微塑料對(duì)生物危害極大且難以被降解和去除，目前對(duì)于能解決微塑料污染的技術(shù)研究鮮有報(bào)道，因此，亟需研發(fā)針對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)中新型有機(jī)污染物微塑料降解去除的新材料和新方法，如可嘗試通過(guò)利用比表面積大、環(huán)境友好型鐵基材料協(xié)同微生物聯(lián)合吸附和降解微塑料等。