微塑料對土壤及植物的影響綜述

張文婷，唐成瑞，彭 柏，雷金鵬，李 偉

（1.西南交通大學(xué)，四川成都 611756；2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川西北氣礦，四川綿陽 621700）

2004 年，英國學(xué)者THOMPSON 等首次提出一種新興環(huán)境污染物——微塑料，微塑料通常是指粒徑小于5 mm 的塑料顆粒，其特點為粒徑小、密度輕、遷移性強、疏水性強、比表面積大、表面疏水性強及在環(huán)境中可長期穩(wěn)定存在[1-2]。目前，大部分微塑料的粒徑在微米級以下，納米級微塑料也不在少數(shù)，河流、河口、近岸海域甚至極地大洋及多種陸生和水生生物體相繼檢出微塑料，微塑料污染也逐漸受到全社會的廣泛關(guān)注，并被聯(lián)合國環(huán)境大會列入全球亟待解決的第二大環(huán)境問題[3]。目前，從全球生態(tài)系統(tǒng)來看，微塑料儼然成為一種日益嚴(yán)峻的新興威脅[4-5]。相比于海洋環(huán)境而言，陸地環(huán)境則更易接納微塑料，每年釋放到陸地上的塑料是海洋的4～23 倍。由于微塑料粒徑微小的特性，生物體易將其當(dāng)作其他營養(yǎng)物質(zhì)進行吞噬吸收，進而在食物網(wǎng)中富集并造成嚴(yán)重危害[6]。

微塑料通過多種途徑進入土壤，對土壤生態(tài)會產(chǎn)生一定影響，同時它極易在土壤環(huán)境中進行遷移和轉(zhuǎn)化。RILLING 等人提出了研究土壤中微塑料污染狀況的重要性，并通過實驗發(fā)現(xiàn)土壤在微塑料作用下的相關(guān)變化，如土壤理化性質(zhì)的改變、土壤功能和生物多樣性的劣化等[7]。隨著不斷深入研究，他們發(fā)現(xiàn)基于土壤中微塑料的不斷遷移，其還會對水生和陸地生物產(chǎn)生不利影響，原因是塑料自身有毒物質(zhì)的毒害作用，以及由于微塑料體積小、比表面積大的特點，其在周圍環(huán)境中吸附的新污染物和重金屬等有毒有害物質(zhì)同樣會對生物體造成一定附加危害。同時，微塑料會影響動物的正常生長、發(fā)育及繁殖，原因是微塑料可以承載污染物，被生物攝食后，會釋放出有毒化合物，并且微塑料在動植物中積累后，通過食物鏈的傳遞，最終人體也會受到一定影響。

為深入理解微塑料對植物及其根系微生物的影響，關(guān)注并總結(jié)了近年來微塑料污染與植物生長的相關(guān)研究，識別土壤中微塑料污染從而影響植物生理生長的研究方向，以期提高對土壤中微塑料污染危害的認(rèn)識，并為科學(xué)評估土壤中微塑料污染的潛在風(fēng)險提供參考依據(jù)。

1 土壤中微塑料的來源

1.1 工業(yè)、農(nóng)業(yè)來源

在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，微塑料粒子大多直接出現(xiàn)在土壤環(huán)境中。農(nóng)田土壤中微塑料的主要來源為農(nóng)用地膜殘留。農(nóng)用地膜主要成分為聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS），其中PVC 薄膜透光性差，并且具有毒性和致癌。WANG 等研究發(fā)現(xiàn)，塑料含有鄰苯二甲酸鹽等有害添加劑，塑料地膜中鄰苯二甲酸鹽含量在50～120 mg·kg-1[8]。根據(jù)KONG 等人的調(diào)查結(jié)果，在我國，與非覆蓋土壤相比，使用塑料地膜覆蓋的土壤中鄰苯二甲酸酯濃度高出74%～208%[9]。因此，塑料地膜覆蓋可能連續(xù)富集土壤中的塑料碎片，并通過釋放鄰苯二甲酸鹽等有害污染物危害環(huán)境。在工業(yè)中，微塑料主要出現(xiàn)在服裝生產(chǎn)過程中，其使用的部分超細塑料纖維是土壤環(huán)境中微塑料的主要來源。BELZAGUI 等人的研究顯示，部分紡織外套和人造毛皮中微纖維含量在175～560 items·g-1[10]。工農(nóng)業(yè)中微塑料的來源多種多樣，應(yīng)嚴(yán)格控制微塑料的使用，從而減少其對環(huán)境的影響。

1.2 社會來源

人們?nèi)粘Ｉ钪幸矔蛲寥垒斎胨芰?，如在道路和小徑附近亂扔垃圾或非法傾倒廢物。在街道或小徑附近亂扔垃圾是一種常見的現(xiàn)象，但目前，還沒有研究能夠量化通過這種方式進入土壤的塑料量。微塑料的主要來源還包括輪胎磨損顆粒，當(dāng)輪胎和路面接觸時，通過機械剪切力或揮發(fā)作用產(chǎn)生輪胎磨損顆粒。在HARTMANN 提出的判別準(zhǔn)則中，輪胎磨損顆?？梢员粍澐衷谖⑺芰系姆懂燵11]。WANG 等的研究顯示，原生微塑料釋放量中有53.9%是輪胎磨損顆粒[12]。環(huán)境中次生微塑料的來源包括日常護理用品中的塑料微珠，如沐浴露、洗面奶等清潔劑中都含有塑料微珠。截至目前，在人類生活中，塑料的應(yīng)用涉及方方面面，且未來其使用率仍將持續(xù)上升。因此，有效控制社會中微塑料的來源與產(chǎn)生量，以及降低其對土壤的污染強度勢在必行。

1.3 大氣沉降

大氣沉降也是微塑料進入土壤的主要方式之一。WRIGHT 等人對倫敦市人口中心進行了大氣沉積物中的微塑料檢測，結(jié)果基本在所有的樣品中都發(fā)現(xiàn)了微塑料[13]。而DRIS 等人也在巴黎進行了類似的實驗測量，檢出結(jié)果表明每天巴黎周邊的大氣環(huán)境中微塑料含量在29～280 個·m-2，同時通過比對發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域微塑料種類大部分為纖維類微塑料，總質(zhì)量在3～10 t，占總量的90%，且1/2 以上的微塑料粒徑達到了1 000 μm[14]。DRIS 等人的研究表明，大量纖維存在于大氣沉降物中，并且這些纖維的含量據(jù)估算至少有29%為塑料聚合物[14]。因此，為了更好地研究大氣中的微塑料，需要考慮時空分布、大氣遷移特征、大氣遷移影響因素等方面，并進一步對微塑料在大氣沉降中的傳輸范圍和沉降通量進行估算。源解析在研究大氣中微塑料方面也必不可少。

2 微塑料對土壤的影響

微塑料在土壤環(huán)境中是很難降解的，因為在土壤中微塑料受到的紫外線輻射少且物理磨損少，所以其可以在土壤中經(jīng)年累積。微塑料會與土壤結(jié)合形成小的團聚體或互相包裹，這些情況會對土壤的持水量、容重、水穩(wěn)性團聚等理化性質(zhì)產(chǎn)生影響。不同類型、不同濃度的微塑料對土壤環(huán)境的改變具有很大差異。如QI 等人的研究發(fā)現(xiàn)，低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）塑料碎片的存在對容重、孔隙率、飽和導(dǎo)水率、田間容重和土壤斥水性有顯著影響，而對pH值、導(dǎo)電性和土壤團聚體的穩(wěn)定性沒有顯著影響，塑料碎片的類型、大小和含量及三者之間的相互作用對土壤參數(shù)的變化起著復(fù)雜的作用[15]。其中，高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）會使土壤pH 值降低，而聚乳酸（polylactic acid，PLA）則相反，在令土壤pH 值升高的同時會使電導(dǎo)率隨之降低，而PS 則對土壤不存在以上影響。還有研究表明，土壤中微塑料濃度高時，溶解性有機物會出現(xiàn)更難分解的現(xiàn)象，這也導(dǎo)致土壤具備更高養(yǎng)分，但特別的是，草甘膦等農(nóng)藥成分會與微塑料之間產(chǎn)生相互作用，反而使得土壤環(huán)境中部分溶解性有機碳和有機磷加速分解，土壤養(yǎng)分變低，部分可生物降解的塑料也會因為干擾自然降解過程而影響氮元素循環(huán)[16]。SHI 等人研究發(fā)現(xiàn)，原PE 微塑料顯著降低土壤pH 值，提高土壤電導(dǎo)率，而與風(fēng)化PE 微塑料相比，原PE 微塑料能夠吸附土壤中更多的速效磷和鉀[17]。THORSTEN 等人在研究中通過反相色譜法分析了不同水相條件下，250 μm以下的聚乙烯微塑料對阿特拉津和4-（2,4-二氯苯氧基）丁酸這兩種植物保護劑在土壤中遷移的影響，研究表明，在聚乙烯微塑料的干擾下，土壤吸附能力降低，從而提高了土壤中有機污染物的流動性[18]。微塑料還會通過影響土壤的水循環(huán)，導(dǎo)致土壤缺水情況加劇，且會影響污染物沿土壤裂縫向更深層遷移。由此可見，微塑料對土壤理化性質(zhì)的影響不容忽視。

3 微塑料對植物的影響

微塑料對植物產(chǎn)生的直接影響主要體現(xiàn)在堵塞植物根部通道、影響植物光合作用方面。植物根系附近的微塑料會對植物本身吸收和運輸養(yǎng)分造成較大影響，甚至當(dāng)微塑料不斷分解為納米微塑料時，植物根系會直接將其當(dāng)作養(yǎng)分一起向上輸送，進而影響植物整體的生長發(fā)育。微塑料可能通過自身毒性及負(fù)載毒性直接或間接影響植物生長，但其正面和負(fù)面影響因微塑料及植物類型而異。牛佳瑞等人的研究結(jié)果顯示，聚乙烯微塑料會破壞紫花地丁植物的抗氧化酶系統(tǒng)，當(dāng)暴露濃度超過500 mg·kg-1時，抗氧化酶活性顯著降低，且通過阻礙植物的光系統(tǒng)Ⅱ，葉片的光合作用也受到了嚴(yán)重破壞[19]。

雖然微塑料被定義為污染物，但它們可以促進高等植物的生長。某些塑料含有氮等元素，氮滲入土壤，能為植物提供養(yǎng)分，對植物的生長起到一定的促進作用。例如，MACHODO 等人報道，一種名為聚酰胺（Polyamide，PA）的含氮塑料增加了蔥的葉片氮含量和總生物量。原因可能是PA 向土壤釋放氮進而被蔥作為營養(yǎng)元素吸收[20]。其他非含氮塑料聚合物也能刺激植物生長。LOZANO 等人的研究顯示，在濕潤和干旱條件下，聚酯微纖維在良好澆水條件下使拂子茅的芽質(zhì)量分別增加了66%和85%，他們認(rèn)為可能是微塑料降低了土壤容重、改善了土壤通氣性，提高了微纖維對根系的滲透性[21]。此外，土壤中的薄膜、聚氨酯泡沫和碎片可以增加植物的生物量。

4 結(jié)語

作為一種新型環(huán)境污染物，微塑料已經(jīng)受到國內(nèi)外研究學(xué)者越來越多的關(guān)注，對微塑料影響的研究也與日俱增。微塑料會對土壤的基本理化性質(zhì)造成一定影響，并且通過影響土壤環(huán)境，從而對植物也產(chǎn)生影響。同時，納米級微塑料本身會同營養(yǎng)物質(zhì)一起進入植物體內(nèi)，降低植物的光合作用，影響細胞膜的整體功能，造成氧化應(yīng)激損傷，進而影響植物的基因表達。綜述了微塑料土壤理化性質(zhì)及對植物的影響，以期為今后微塑料的污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)前人的研究，發(fā)現(xiàn)微塑料對土壤及植物的影響機制的研究中還存在一些不足。目前，大多數(shù)學(xué)者主要研究的是原生微塑料的影響，而老化微塑料或者老化過程中的微塑料的相關(guān)研究還比較薄弱，且對植物生長期的影響缺乏系統(tǒng)了解；同時，土壤中含有多種污染物，微塑料與其他污染物的復(fù)合效應(yīng)被關(guān)注的不多，其聯(lián)合毒性效應(yīng)相關(guān)機理存在很多未知；此外，需要從分子學(xué)方面去探究機理，以了解微塑料對植物的影響機制。因此，在未來的研究中，可以從3 個方面進一步完善：1）微塑料暴露過程和老化塑料對植物影響的相關(guān)研究需要被重視，以全面了解微塑料對植物的影響機制；2）微塑料和污染物之間的復(fù)合作用，需要更多探討和研究，以了解復(fù)合污染的毒性機理；3）微塑料對植物關(guān)鍵酶和基因等大分子的影響，其相關(guān)研究也需要深入開展，以期為微塑料生態(tài)環(huán)境效益的探索提供更多的證據(jù)。