土壤微塑料污染及微生物降解研究進展

謝 諺

（1. 中石化安全工程研究院有限公司 環(huán)保室，山東 青島 266104；2. 化學(xué)品安全全國重點實驗室，山東 青島 266104）

石油基塑料是重要的有機聚合物，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛使用［1］。據(jù)報道，2018年全球塑料年生產(chǎn)量接近3.6億噸，但只有6%～26%被回收利用，其他的塑料最終進入環(huán)境成為污染物［2］。微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料碎片。在塑料制品的生產(chǎn)、加工、利用、廢棄過程中，受物理、化學(xué)、生物等各種因素的影響，有大量微塑料以顆粒、纖維和薄膜等形態(tài)被釋放到環(huán)境中，導(dǎo)致微塑料成為全球最嚴峻的環(huán)境污染問題之一［3］。國務(wù)院2022年印發(fā)的《新污染物治理行動方案》將微塑料列為重點新污染物，與持久性有機物、內(nèi)分泌干擾物和抗生素共同成為四大類新污染物。

全球在海洋［4］、空氣［5］、淡水［6］、土壤［7］中都檢測到了微塑料。雖然海洋中的微塑料污染是最早被發(fā)現(xiàn)和研究的，但陸地作為塑料制品的生產(chǎn)和重要匯集地，微塑料污染豐度可能是海洋的4～23倍［8］。根據(jù)當(dāng)前的研究，土壤微塑料污染的典型區(qū)域包括長期施用污泥的農(nóng)田、覆膜農(nóng)田、灌溉區(qū)農(nóng)田、河流海岸帶潮灘、工業(yè)園區(qū)以及城市周邊受垃圾影響較重的區(qū)域［9］。其中，工業(yè)園區(qū)土壤中微塑料污染水平顯著高于農(nóng)用地土壤。澳大利亞悉尼塑料制品生產(chǎn)工業(yè)園區(qū)土壤中被檢出微塑料的豐度最高達67 500 mg/kg［10］，與農(nóng)用地土壤中微塑料的污染水平呈現(xiàn)數(shù)量級的差異。

石油石化行業(yè)廣泛涉及微塑料的產(chǎn)生，一方面石油化工產(chǎn)品是塑料原料加工的源頭；另一方面，微塑料可以用于石油和天然氣勘探的鉆井液［11］。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對土壤中微塑料污染特性的分析研究，常見的微塑料成分包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯［12］。

本文概述了微塑料的土壤污染危害、微塑料與其他污染物的主要耦合機制，總結(jié)了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯4類微塑料的土壤微生物降解研究進展，提出石油石化企業(yè)防范土壤微塑料環(huán)境風(fēng)險應(yīng)重點關(guān)注的問題。

1 微塑料的土壤污染風(fēng)險

1.1 微塑料對土壤的危害

微塑料會改變土壤的理化性質(zhì)。首先，微塑料會改變土壤水循環(huán)，微塑料含量達到一定值時，會導(dǎo)致土壤水分入滲受阻，提高土壤侵蝕概率［13］。其次，微塑料及其添加劑會影響土壤pH［14-15］，如高密度聚乙烯顯著降低土壤的pH，而以碳酸鈣做填充劑的聚氯乙烯則導(dǎo)致土壤pH升高。再次，微塑料對土壤物質(zhì)循環(huán)和酶活性具有顯著影響［16］，從而導(dǎo)致土壤肥力降低。最后，微塑料自身存在生物累積效應(yīng)，生物體可能攝食微塑料，也可能通過攝入其他生物體間接攝入微塑料，通過食物鏈完成在生物體內(nèi)的累積［17］，并進一步影響生物體的營養(yǎng)攝入、生長、發(fā)育、繁殖和存活［18］。有學(xué)者已在人類胎盤、母乳、血液、肺部和糞便中發(fā)現(xiàn)了微塑料，說明微塑料可以進入人體并在體內(nèi)聚集［19］。

1.2 微塑料與有機物的耦合作用

研究人員在環(huán)境中提取的微塑料上檢查到大量有機物，主要包括多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、鄰苯二甲酸酯、烷基酚等，最高含量達10 000 μg/g［20］。這說明自然環(huán)境中普遍存在微塑料與有機物的耦合作用。微塑料的表面特性和疏水性使其可以作為有機物的優(yōu)良載體，吸附有機物使其負載在微塑料表面或滲透到內(nèi)部。

微塑料吸附有機物的作用機制主要包括極性作用、表面吸附和其他機制，其中極性作用和表面吸附是最重要的機制。極性作用是有機物根據(jù)“相似相溶”原理在親水相和親油相之間達到的一種平衡，無關(guān)于微塑料表面吸附位點，當(dāng)微塑料顆粒與有機物之間的極性匹配程度較高時，主要發(fā)生極性作用［21］。吸附作用是各種氣體、蒸氣以及溶液里的溶質(zhì)被吸附在固體或液體物質(zhì)表面上的作用，可分為物理吸附和化學(xué)吸附。微塑料的吸附以物理吸附為主，主要作用機制是疏水作用和靜電作用。疏水作用對于非極性有機物和微塑料的相關(guān)作用行為比靜電作用和氫鍵作用更加重要［22］。由于微塑料成分為低表面能物質(zhì)，其表面主要表現(xiàn)出疏水特性，因此對有機物有較強的吸附作用。通常情況下，有機物的疏水性越強，微塑料對其吸附量越大［23］。靜電作用主要發(fā)生在微塑料表面的零電荷點值低于環(huán)境pH的情況下，此時微塑料帶負電［24］，可與帶正電的污染物發(fā)生靜電作用。此外，表面官能團、物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)、分子量等因素都會影響微塑料對有機物的吸附能力。WANG等［25］研究了聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯對芘的吸附情況，得出對芘的吸附量隨微塑料比表面積增大而增大的結(jié)論。GEORGE等［26］研究發(fā)現(xiàn)，相較于球狀結(jié)構(gòu)的有機物，平面型分子結(jié)構(gòu)的有機物更容易被吸附在微塑料上。

被微塑料吸附的有機物在進入生物體內(nèi)后會發(fā)生脫附進而被生物體吸收，甚至可能發(fā)生作用機制和毒性效應(yīng)的改變。AVIO等［27］研究發(fā)現(xiàn)，貽貝暴露在吸附了芘的微塑料環(huán)境中相較于直接暴露在芘環(huán)境中，體內(nèi)芘的生物累積量提高了13倍，最高達470 ng/g，證明微塑料的存在增加了生物體內(nèi)有機物的累積。但OLIVEIRA等［28］研究發(fā)現(xiàn)，微塑料的存在延緩了芘誘導(dǎo)鰕虎魚幼體的死亡，100%致死率的暴露時間延長了25%。

1.3 微塑料與重金屬的耦合作用

我國學(xué)者的研究表明，微塑料污染區(qū)域與重金屬污染區(qū)域有較為明顯的重合［29］。微塑料也是重金屬的優(yōu)良載體。Cu2+、Cd2+、Pb2+、Hg2+、Zn2+等金屬離子與微塑料的耦合被廣泛研究報道［30-31］。微塑料與重金屬的耦合可能導(dǎo)致重金屬污染物的危害提升［32］。

微塑料吸附重金屬的作用機理主要包括靜電吸附和化學(xué)吸附。靜電吸附主要發(fā)生在微塑料表面的零電荷點值低于環(huán)境pH的情況下，微塑料表面呈電負性，易與金屬陽離子發(fā)生靜電耦合?；瘜W(xué)吸附則是由于微塑料表面官能團生成的活性點位與金屬發(fā)生絡(luò)合、配位、螯合、共享或電子交換［33］。微塑料與重金屬的耦合受眾多因素的影響，包括微塑料的分子排列、表面形貌、金屬離子電性、土壤條件等［34］。

微塑料會驅(qū)動重金屬在土壤和食物鏈中傳遞，一般來說，微塑料的遷移會促進重金屬的遷移，而微塑料的滯留會抑制重金屬的遷移［35］。微塑料與重金屬的耦合可能對生物體造成更大的危害。FENG等［36］研究發(fā)現(xiàn)，耦合微塑料的鉛顯著提高了小鼠的血鉛含量，說明耦合微塑料的重金屬可能發(fā)生生物可利用性變化，導(dǎo)致其在生物體內(nèi)分布變化，對特定生物器官造成損傷。微塑料對生物體的物理傷害也會加劇重金屬對生物體的毒性［37］。

2 土壤微生物降解微塑料的研究進展

微塑料是持久性污染物，傳統(tǒng)物理化學(xué)方法處理微塑料污染存在較大難度。土壤中的微塑料比水體中的微塑料更難通過物理化學(xué)方法去除。國內(nèi)外學(xué)者的大量研究顯示，自然環(huán)境中存在對塑料具有降解能力的微生物，雖然降解速率緩慢，但利用微生物技術(shù)處置微塑料污染是可能的。微生物技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、無二次污染等優(yōu)點，逐步成為國際微塑料污染處置的研究熱點，大量微塑料降解微生物從海洋、土壤甚至動物腸道菌群中被篩選分離出來。

微塑料的生物降解性能受微塑料性質(zhì)、微生物和環(huán)境因素的共同影響。一般說來，氧化基團和親水性較好的化合物更易被微生物降解。微塑料的微生物降解分為4個步驟［38-42］：變質(zhì)，解聚，同化，礦化，如圖1所示。變質(zhì)主要依靠外界條件或微生物胞外分泌物使微塑料聚合物的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，引入親水性較強的官能團；解聚是在微生物胞外酶的催化作用下，將微塑料聚合物切斷分解成水溶性短鏈低聚物；同化則是在解聚的基礎(chǔ)上，完成低聚物的細胞內(nèi)外跨膜輸送，保證低聚物進一步參與微生物的新陳代謝；礦化是微生物利用細胞內(nèi)各種代謝途徑將微塑料聚合物最終降解為CO2、H2O或CH4等。此外，有研究顯示，納米級微塑料可以通過內(nèi)吞作用或作物根部裂隙進入細胞組織［43］，因此納米級微塑料的生物降解更為復(fù)雜，有待進一步研究。

圖1 微生物降解微塑料的步驟

可降解微塑料的微生物菌種、環(huán)境條件差異較大。本文總結(jié)了石油化工行業(yè)常見的4種微塑料的微生物降解研究進展。

2.1 聚乙烯微塑料的微生物降解

聚乙烯包括高密度聚乙烯和低密度聚乙烯，廣泛用于農(nóng)田覆膜、日用塑料袋等。大量微生物（如假單胞菌、芽孢桿菌、紅球菌、木霉菌等）都被發(fā)現(xiàn)可以降解聚乙烯。

AUTA等［44］從馬來西亞半島紅樹林沉積物中分離篩選得到格式芽孢桿菌Bacillus gottheilii，40 d對聚乙烯微塑料的減重率達6.2%，紅外光譜分析顯示，在聚乙烯降解過程中出現(xiàn)了氨基、羥基等極性官能團，說明微生物通過增強聚合物的極性強化其生物可利用性。TRIBEDI等［45］在未預(yù)處理的情況下，利用假單胞菌Pseudomonasp.AKS2降解低密度聚乙烯，45 d減重率達5%±1%；研究還討論了礦物油和吐溫80在微生物降解聚乙烯微塑料中的作用，前者促進微生物在聚乙烯表面的附著，從而促進聚合物降解，后者則相反。MONTAZER等［46］研究發(fā)現(xiàn)皮特不動桿菌Acinetobacter pittiIRN19在紫外光預(yù)處理方式下，可以對聚乙烯微塑料進行降解，28 d減重率為26.8%±3.0%。朱會會等［47］從長期覆膜土壤中篩選得到降解菌群ZH-5，主要由新生螺旋菌Noviherbaspirillumsp. 、嗜氨菌Ammoniphilussp. 和假單胞菌Pseudomonassp. 構(gòu)成，60 d對聚乙烯微塑料的減重率為2.86%。PARK等［48］從垃圾填埋場得到主要由芽孢桿菌Bacillussp. 和類芽孢桿菌Paenibacillussp. 組成的菌群，60 d對聚乙烯微塑料的減重率達到14.7%。

2.2 聚丙烯微塑料的微生物降解

聚丙烯是一種性能優(yōu)良的熱塑性石油基塑料，具有耐酸、堿、有機腐蝕的特點，廣泛用于服裝、醫(yī)療器械、食品藥品包裝等領(lǐng)域。目前針對聚丙烯微塑料的微生物降解研究相對較少，細菌和真菌都有降解聚丙烯微塑料的菌種，如芽孢桿菌、紅球菌、白腐菌和白色念珠菌等。

目前發(fā)現(xiàn)的聚丙烯微塑料的微生物降解效率普遍較低，且對真菌類微生物研究較多。AUTA等［49］發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌和紅球菌對紫外線預(yù)處理的聚丙烯微塑料具有降解能力，40 d的減重率分別達到4%和6.4%。SHIMPI等［50］將聚丙烯、聚乳酸和納米碳酸鈣混合，利用黃孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium進行生物降解，28 d的減重率達到5.3%，在聚合物減重的過程中，同時觀察到大量蛋白質(zhì)的釋放，納米碳酸鈣的添加有助于聚合物的降解。JEON等［51］利用寡氧單細胞菌Stenotrophomonas panacihumiPA3-2降解不同分子量的聚丙烯微塑料，研究發(fā)現(xiàn)細菌可以對高分子量的聚丙烯微塑料進行降解，但降解效率隨著聚合物分子量的升高而下降。

2.3 聚氯乙烯微塑料的微生物降解

聚氯乙烯曾是世界上產(chǎn)量最大的通用塑料，廣泛應(yīng)用在建材、工業(yè)制品、日用品、管材等方面，2017年被世界衛(wèi)生組織列入致癌物清單。近些年研究發(fā)現(xiàn)，聚氯乙烯微塑料廣泛分布在自然環(huán)境中，且是二噁英的主要來源［52］。聚氯乙烯的特別之處在于它的骨架中引入了氯原子，增加了其微生物降解的難度。目前針對微生物降解聚氯乙烯微塑料的研究較少，且降解效率偏低。

ALI等［53］利用土壤包埋篩選聚氯乙烯降解菌，經(jīng)過10個月的篩選得到4株具有聚氯乙烯降解能力的真菌，其中黃孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium效果最好，在其降解聚氯乙烯微塑料的過程中可以明顯觀察到聚合物分子量的降低和微觀結(jié)構(gòu)的變化。GLACOMUCCI等［54］利用香茅醇假單胞菌Pseudomonas citronellolis降解聚氯乙烯微塑料的研究表明，此菌株的優(yōu)勢效應(yīng)不受其他菌種的影響，但菌株對聚合物中添加劑的降解較聚氯乙烯更為顯著。KUMARI等［55］利用細菌菌株對低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚氯乙烯進行降解研究，發(fā)現(xiàn)菌株對聚氯乙烯的降解效率明顯偏低，30 d減重率僅為0.26%，推測氯離子的存在使聚氯乙烯的微生物降解存在不確定性。

2.4 聚苯乙烯微塑料的微生物降解

聚苯乙烯的聚合物主鏈為飽和碳鏈，側(cè)基是共軛苯環(huán)，在應(yīng)力作用下易脆性斷裂，但具有較好的耐熱性能，廣泛應(yīng)用于一次性容器，被世界衛(wèi)生組織列入致癌物清單。聚苯乙烯微塑料降解受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究，并深入到生物降解的過程和機理。研究表明，聚苯乙烯微塑料生物降解的中間產(chǎn)物包括氧化苯乙烯、苯基乙醇、苯基乙醛、1-苯基-1、2-乙烷二醇等［56］。

MOHAN等［57］研究發(fā)現(xiàn)，Bacillussp. 可利用抗沖擊聚苯乙烯微塑料作為唯一碳源，30 d減重率達到23.7%，抗沖擊聚苯乙烯微塑料表面出現(xiàn)生物定植、凹坑和孔，色譜分析顯示降解中間產(chǎn)物為苯基乙醇。YANG等［58］發(fā)現(xiàn)黃粉蟲幼蟲可以消化聚苯乙烯微塑料，這得益于其腸道中的微小桿菌Exiguobacteriumsp. YT2，YT2對聚苯乙烯微塑料的60 d減重率達到7.4%±0.4%。MAMTIMIN等［59］利用黃粉蟲幼蟲對比處理聚苯乙烯微塑料和玉米秸稈，發(fā)現(xiàn)黃粉蟲幼蟲對二者進行生物降解的微生物高度相似，均主要為沙雷氏菌、葡萄球菌和紅球菌，提出黃粉蟲幼蟲對聚苯乙烯微塑料的降解能力源于其降解天然木質(zhì)纖維素的能力，而聚苯乙烯降解酶包括多銅氧化酶、細胞色素P450、單加氧酶、超氧化物歧化酶和脫氫酶等。KIM等［60］利用銅綠假單胞菌Pseudomonas aeruginosaDSM 50071開展了聚苯乙烯微塑料的降解研究，發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯微塑料在降解過程中形成了C—O單鍵，聚合物表面發(fā)生疏水到親水的變化，同時確定絲氨酸水解酶參與了聚苯乙烯微塑料的生物降解。CHEN等［61］利用熱桿菌Geobacillus、芽孢桿菌Bacillus和地桿菌Thermusand等超級嗜熱菌開展了聚苯乙烯微塑料降解的生物堆肥研究，在70 ℃條件下，56 d的減重率達7.3%，比40 ℃條件下的常規(guī)堆肥效率提高了6.6倍。

3 結(jié)語與展望

石油基微塑料作為備受關(guān)注的新污染物勢必成為未來環(huán)境風(fēng)險防控的重要目標之一。雖然國內(nèi)外學(xué)者對海洋、河流等水體的微塑料污染狀況開展了大量研究，但是對土壤的微塑料污染特征研究較少，針對石油石化行業(yè)場地的研究更是空白。石油石化行業(yè)場地廣泛涉及石油基塑料的加工和使用，同時可能存在有機物、重金屬等污染，易與微塑料發(fā)生耦合，進而影響微塑料的環(huán)境行為、生態(tài)風(fēng)險和污染降解機制，增加風(fēng)險管控的復(fù)雜性。因此，建議提前布局研究石油基微塑料的風(fēng)險管控工作。

a）關(guān)注場地微塑料污染水平和特征研究。微塑料作為新污染物，國家尚未建立標準化的監(jiān)測方法。目前缺少土壤微塑料污染現(xiàn)狀和特征的研究和數(shù)據(jù)，無法有效支撐環(huán)境管理和風(fēng)險防控工作。因此，亟需建立準確、高效、簡便的土壤微塑料檢測方法，解決因土壤復(fù)雜性及微塑料尺寸微小造成的技術(shù)問題，并以此為基礎(chǔ)開展行業(yè)場地微塑料污染水平和特征研究，為后續(xù)風(fēng)險管控和污染治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

b）關(guān)注微塑料與有機物在土壤中的相互作用效應(yīng)研究。微塑料體積小、疏水性強，具備吸附有機物的強大性能，易與有機物發(fā)生耦合，影響二者在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律，并可能影響微生物對二者的降解作用。開展微塑料與有機物的相互作用研究，有利于掌握二者在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境行為和協(xié)同效應(yīng)，為開展土壤中微塑料-有機物的復(fù)合污染風(fēng)險防控和治理提供依據(jù)。

c）關(guān)注微塑料的微生物降解機理和高效降解菌群研究。盡管越來越多的微塑料降解菌被篩選出來，但是利用微生物技術(shù)開展微塑料污染治理仍然存在三大問題：微塑料降解效率低；多種微塑料難以同時降解；微塑料降解不完全。這與微生物降解微塑料機制復(fù)雜、涉及酶類多有很大關(guān)系。篩選高效微塑料降解微生物，揭示降解酶和降解機理，組建降解菌群，利用耦合手段加速聚合物變質(zhì)協(xié)同微生物代謝等研究可以作為突破點，對于發(fā)揮微生物技術(shù)在治理微塑料污染中的作用具有重要意義。