微塑料對(duì)土壤特性的影響

裴磊,王發(fā)園,張書(shū)武

(青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東 青島 266000)

微塑料(Microplastics,MPs)是一種尺寸小于5 mm的塑料顆粒、纖維或碎片,根據(jù)其產(chǎn)生方式可以分為初生MPs和次生MPs。一般來(lái)說(shuō),初生MPs是指那些根據(jù)人類(lèi)生產(chǎn)生活需要直接加工生成的MPs,例如空氣噴射,工業(yè)磨料以及化妝品中的去角質(zhì)珠等;次生MPs則是由較大的塑料經(jīng)物理作用(破碎,磨損和風(fēng)化)、化學(xué)作用(光解、熱解和水解)及生物作用(微生物降解和動(dòng)物消化)形成[1]。相比于“大塑料”,MPs的小尺寸特性使得它們更容易通過(guò)大氣和水體進(jìn)行傳播和擴(kuò)散。因此MPs無(wú)處不在,在地球上所有的環(huán)境中都檢測(cè)到它們的存在,甚至可以通過(guò)飲食和呼吸進(jìn)入人體內(nèi)環(huán)境并富集[2]。而且由于尺寸微小和組成復(fù)雜,很難檢測(cè)到環(huán)境中MPs的實(shí)際當(dāng)量并將其從環(huán)境中完全分離。另一方面,MPs具有更大的比表面積且次生MPs由于老化磨損等原因其表面更加粗糙,可以吸附和攜帶更多的污染物,包括重金屬(鎘、銅、鉛)、有機(jī)物(農(nóng)藥、抗生素、PAHs)和致病菌等[3]。因此,MPs比“大塑料”具有更強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),微塑料污染被列入環(huán)境與生態(tài)科學(xué)研究領(lǐng)域的第二大科學(xué)問(wèn)題,并成為與全球氣候變化、臭氧耗竭和海洋酸化并列的重大全球環(huán)境問(wèn)題。

MPs最先是作為海洋中的污染物進(jìn)入大眾視野,早期的研究也大多集中于微塑料對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的污染。近年來(lái),隨著對(duì)微塑料研究的深入,人們逐漸把目光轉(zhuǎn)移到陸地微塑料污染上[3]。據(jù)估計(jì),每年向陸地釋放的塑料是向海洋釋放的 4～23倍,微塑料在某些工業(yè)區(qū)表土的質(zhì)量濃度可高達(dá)驚人的6.7%[4-5]。MPs可以通過(guò)多種途徑輸入土壤,包括地膜覆蓋、垃圾亂扔和填埋、廢水污泥的土地利用和大氣沉降等[6]。從總體來(lái)看,土壤環(huán)境中微塑料主要類(lèi)型為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等傳統(tǒng)塑料類(lèi)型,它們也是目前世界上最主流的塑料,總共約占95%左右的市場(chǎng)份額。這些類(lèi)型的MPs都具有非常穩(wěn)定的聚合物結(jié)構(gòu),有些在自然環(huán)境中需要數(shù)百年甚至上千年才能完全降解[7]。基于此,已經(jīng)提出了幾種生物可降解塑料作為傳統(tǒng)塑料的可能替代品,例如聚乳酸(PLA)、聚3-羥基烷酸酯(PHA)和聚酯類(lèi)(PBS)等。然而,這些可生物降解塑料雖然大幅降低了塑料的降解周期,但這需要在一定環(huán)境條件下才能迅速降解[8]。此外,我們還應(yīng)注意到的是土壤環(huán)境不同于水體和大氣,土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)移更為緩慢,MPs在土壤中更容易積累。隨著時(shí)間的推移,MPs會(huì)不可避免的對(duì)土壤物理,化學(xué)和生物學(xué)特性產(chǎn)生影響,從而打破土壤環(huán)境原有的生態(tài)平衡,對(duì)土壤生態(tài)功能產(chǎn)生影響。

1 微塑料對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

先前的研究表明,MPs輸入土壤可能會(huì)引起土壤容重、團(tuán)聚、孔隙度和持水能力的改變,這些改變可以是積極的也可能是消極的,具體與MPs的類(lèi)型、濃度、尺寸和形狀有關(guān)[3]。由于土壤主要由鋁硅酸鹽礦物組成,絕大多數(shù)MPs的密度均比土壤顆粒要小,因此研究發(fā)現(xiàn)MPs暴露于土壤后通常會(huì)導(dǎo)致土壤容重的降低[9]。土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性對(duì)土壤空氣,水分和生物養(yǎng)分利用具有重要影響。據(jù)報(bào)道,在中國(guó)西南地區(qū)的耕作土壤中,72%的MPs與土壤團(tuán)聚體間表現(xiàn)出相關(guān)性[10],這表明MPs的暴露很可能會(huì)引起土壤團(tuán)聚體發(fā)生變化。Souza Machado等人[11]發(fā)現(xiàn),隨著MPs濃度增加,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐漸降低,并且纖維狀MPs產(chǎn)生的影響比其他形狀的影響更顯著。他們的另一項(xiàng)研究得出了相似的結(jié)論,相比于PS碎片和聚酰胺(PA)顆粒,聚酯超細(xì)微纖維(PES MF)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低的效果更明顯[9]。此外,MPs對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響受其它共存因素的影響。例如MPs單獨(dú)存在對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性沒(méi)有影響,但和有機(jī)質(zhì)共存時(shí)顯著降低了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[12]。MPs的存在也有可能增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,Lozano等[13]報(bào)道0.4% PES微纖維顯著增強(qiáng)了土壤聚集(18%)。MPs微塑料的暴露會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙度發(fā)生變化,進(jìn)一步影響土壤氧含量和水分。在張等人[14]的研究中,添加0.1%和0.3% PMF增加了土壤大孔體積,但減少了微孔體積,且其增加或減少的量與MPs濃度呈正相關(guān)。即在大孔隙體積下,0.3% PMF比0.1% PMF增加了更多的大孔體積,從而增強(qiáng)了土壤的快速排水;在小孔隙的情況下,PMF濃度的增加導(dǎo)致微孔體積的減少。該發(fā)現(xiàn)表明,土壤和線性PMF之間存在相互作用(纏結(jié)),這增加了土塊的數(shù)量,從而增加了大孔隙體積;相反,微孔體積的減少與所用PES的小直徑(5 μm)和疏水性有關(guān)。MPs還被發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變骨料粒徑分?jǐn)?shù)和孔徑分布來(lái)中斷水流的垂直運(yùn)輸,大型MPs膜和碎片也被認(rèn)為會(huì)阻礙土壤中的水平水流,這可能改變土壤養(yǎng)分和污染物在土壤中的轉(zhuǎn)運(yùn)[3]。

2 微塑料對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

從組成性質(zhì)來(lái)看,MPs是以碳基為主體構(gòu)成的高分子聚合物(碳含量大約為80%),土壤中MPs的輸入會(huì)直接導(dǎo)致土壤表觀總有機(jī)碳含量的增加。然而,由于大多數(shù)MPs與其他土壤有機(jī)碳不具有相同的來(lái)源和功能,因此將MPs-碳視為土壤碳庫(kù)的一部分還有待商榷[15]。在探究外源污染物的對(duì)土壤的生態(tài)效應(yīng)時(shí),溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)是一種常用的土壤參數(shù),因?yàn)樗峭寥乐休^為活躍的物質(zhì),與土壤養(yǎng)分循環(huán)和生物利用息息相關(guān),已經(jīng)有許多文獻(xiàn)報(bào)道了微塑料對(duì)土壤DOM含量的顯著性影響,有增加也有降低[3]。值得注意的是,可生物降解MPs通常會(huì)導(dǎo)致更高的土壤DOM含量[16]。這是可以預(yù)料的,因?yàn)樵S多可生物降解塑料就是由生物基的材料合成(淀粉和纖維素等)。由于MPs自身特性,其中的化學(xué)添加劑(鄰苯二甲酸酯、芳基胺和重金屬等)更容易浸出進(jìn)入土壤環(huán)境,對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生直接影響[17]。除了MPs本身對(duì)土壤化學(xué)成分的直接影響外,MPs還可以吸附其他污染物(重金屬和有機(jī)物等)并影響其有效性[3]。MPs的老化程度也是影響MPs吸附性能的重要因素,許多研究表明老化的MPs對(duì)有機(jī)物和重金屬等污染物具有更強(qiáng)的吸附能力[18]。

土壤pH值是土壤最重要化學(xué)的性質(zhì)之一,對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能具有級(jí)聯(lián)效應(yīng)[19]。研究表明MPs可以顯著提高或降低土壤pH值[3],這表明不同類(lèi)型的MPs會(huì)對(duì)土壤pH值產(chǎn)生不同甚至相反的影響。Xu等人[20]研究了四環(huán)素在PS,PP和PE三種MPs上的吸附過(guò)程,結(jié)果表明三類(lèi)微塑料對(duì)四環(huán)素的吸附過(guò)程以靜電相互作用、疏水相互作用、π-π相互作用和極性相互作用為主,三種MPs對(duì)四環(huán)素的吸附能力依次為PS,PP和PE。此外,土壤pH值受到的影響還被證明與MPs的劑量、形狀和暴露時(shí)間有關(guān)[3]。MPs對(duì)土壤生物過(guò)程(如硝化和反硝化)的影響也可能土壤pH變化的重要影響因素之一[21]。MPs對(duì)土壤中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的影響也是一個(gè)重要的研究方向。有研究發(fā)現(xiàn)MPs的輸入使得土壤中速效氮和速效磷含量顯著降低[22]。MPs可能通過(guò)以下幾種機(jī)制影響土壤養(yǎng)分含量:(1) 一些MPs(聚丙烯腈和聚芳綸)本身就含有一部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在進(jìn)入土壤環(huán)境后隨著時(shí)間的推移逐漸釋放出來(lái)[9]。(2) MPs可能直接吸附營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),從而改變其可用性。特別是長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化和氧化的MPs擁有更高的吸附容量[23]。(3) MPs可以通過(guò)改變土壤中相關(guān)酶活性(脲酶、蛋白酶、磷酸酶),特殊微生物群落(硝化菌,聚磷菌),植物根系對(duì)磷的吸收利用等生物學(xué)性質(zhì)來(lái)影響土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量[24]。

3 微塑料對(duì)土壤微生物性質(zhì)的影響

除了MPs本身就可以作為載體為土壤微生物提供新的棲息環(huán)境外,MPs對(duì)土壤物理和化學(xué)特性的持續(xù)影響也難以避免的會(huì)對(duì)土壤微生物特性產(chǎn)生影響。微生物生物量和微生物活性可以反映土壤微生物的總體健康狀況。幾項(xiàng)研究探索了MPs對(duì)土壤微生物生物量的影響,有增加、無(wú)影響和減少多種情況[3]。總體而言,可生物降解MPs由于易被微生物分解利用,它們通?？稍黾油寥牢⑸锷锪縖25]。值得注意的是,當(dāng)MPs尺寸小到一定程度(納米級(jí)),它們可以直接穿透細(xì)胞膜對(duì)細(xì)胞造成物理?yè)p傷并影響細(xì)胞內(nèi)環(huán)境,從而抑制微生物活性[26]。此外,MPs和其他污染物的復(fù)合效應(yīng)也可能會(huì)導(dǎo)致土壤微生物活性的顯著變化[27-28]。

微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性是土壤多功能性最重要的影響因素之一,高通量測(cè)序技術(shù)的成熟運(yùn)用使得人們可以更深入的了解微生物群落的細(xì)微變化。首先,MPs自身可以作為土壤微生物的特殊棲息地,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的環(huán)境暴露的后,微生物會(huì)逐漸在MPs表面定植并形成生物膜[29]。由于微環(huán)境不同,MPs會(huì)有選擇性地富集合適的微生物菌群(放線菌、擬桿菌和變形桿菌等),因此MPs表面的微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性通常與周?chē)h(huán)境有較大的不同[30]。此外,還有研究表明當(dāng)MPs上吸附有抗生素等污染物時(shí),MPs上抗生素抗性基因的豐度增加,而且隨著粒徑的增加、風(fēng)化程度的提高和暴露時(shí)間的延長(zhǎng),MPs吸附更多的抗生素,抗生素抗性基因豐度也隨之升高[31]。MPs的暴露也可能會(huì)改變土壤整體微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。Wang等人[32]表明,LDPE MPs的暴露使土壤細(xì)菌群落的物種更替率提升了3倍,并且隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng),土壤微生物群落的分化持續(xù)增加。不同的微塑料類(lèi)型可能導(dǎo)致不同的微生物群落,PE和PVC MPs均降低了土壤微生物豐富度和多樣性,但PE MPs降低得更顯著[33]。可生物降解MPs和傳統(tǒng)MPs對(duì)土壤微生物組的影響表現(xiàn)出較大差異,可生物降解MPs被證明可以促進(jìn)土壤微生物的多功能性[34]。MPs的濃度、尺寸和形狀也可能是MPs影響土壤微生物組的重要變量[3]。此外,許多研究還表明MPs的暴露會(huì)影響與植物共生的菌根真菌群落的豐富度和多樣性[35]。菌根真菌被在土壤重金屬、有機(jī)物污染修復(fù)和植物營(yíng)養(yǎng)方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[36]。實(shí)際上,任何外源物質(zhì)的輸入都有很大可能會(huì)改變土壤微生物特性,我們研究MPs對(duì)土壤微生物特性的影響的主要目的是想通過(guò)分析微生物群落來(lái)探究MPs所產(chǎn)生的實(shí)際意義(例如功能強(qiáng)弱變化,養(yǎng)分含量變化等)。然而土壤微生物特性的改變及其所產(chǎn)生的影響很難用肉眼直接識(shí)別并進(jìn)行量化,而且土壤微生物組是一個(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng),影響基因表達(dá)的因素多種多樣,又存在功能冗余等情況。因此,在研究MPs對(duì)土壤微生物特性的影響時(shí)盡可能地將更多的環(huán)境因素考慮進(jìn)去,從而對(duì)其中相互作用的機(jī)制有更清晰的了解。

4 總結(jié)

綜上所述,土壤物理、化學(xué)和微生物學(xué)特性均有可能隨著MPs的暴露發(fā)生改變,這與MPs的類(lèi)型、濃度、尺寸和形狀有關(guān),MPs的老化同樣是一個(gè)重要影響因素。值得注意的是,目前關(guān)于MPs的大多是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的,且通常以高于環(huán)境實(shí)際濃度的劑量添加進(jìn)試驗(yàn)土壤,這有可能對(duì)MPs所產(chǎn)生的實(shí)際生態(tài)影響評(píng)估造成干擾。因此,未來(lái)需要進(jìn)行更多的基于野外的多尺度研究以更好地評(píng)估和防治MPs帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。