環(huán)境污染中微塑料對土壤植物的影響

摘 要：微塑料在土壤環(huán)境中分布廣泛，通過遷移行為能夠?qū)ν寥乐参锂a(chǎn)生一定的影響。在當前生態(tài)文明高質(zhì)量建設(shè)過程中，相關(guān)部門應(yīng)進一步加強微塑料對土壤植物的影響研究，為其后續(xù)治理提供科學(xué)依據(jù)?；诖?，概述了土壤環(huán)境中微塑料的來源及分布情況，并在剖析微塑料在土壤植物中的遷移行為的基礎(chǔ)上，探討了微塑料對土壤植物的直接影響和間接影響。

關(guān)鍵詞：環(huán)境污染；微塑料；土壤植物

中圖分類號：S154.1 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）08–00-03

塑料屬于高分子化合物，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑、包裝、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。微塑料是塑料經(jīng)自然作用后分解而成的塑料碎片，粒徑在5 mm以下，由于數(shù)量巨大、降解難度大，會嚴重影響土壤環(huán)境，并危害到土壤環(huán)境中的植物生長發(fā)育等[4-6]。因此，在新時期土壤環(huán)境高質(zhì)量治理與高水準利用的過程中，實踐主體有必要加強微塑料對土壤植物的影響研究，為其實踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 土壤環(huán)境中微塑料的來源及分布情況

1.1 來源

微塑料對土壤環(huán)境的污染，也被稱為“白色污染”，具有降解難、處理難、污染大的主要特征。其來源主要有3條途徑：一是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的地膜、化肥編織袋；二是生活污水、工業(yè)污水排放；三是大氣沉降產(chǎn)生的塑料微粒[7-8]。其中，前兩種來源比較容易理解，最后一種來源相對復(fù)雜，主要是在生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過程中，人為焚燒塑料垃圾產(chǎn)生了可揮發(fā)的塑料微粒，此類微粒在空氣流動作用下被分散在大氣環(huán)境中，再經(jīng)過聚集沉降或雨水沉降等不同方式沉降至土壤環(huán)境中。

1.2 分布

微塑料會長期存在于土壤的表層與內(nèi)部，并借助滲透、遷移、轉(zhuǎn)化等方式進入地下水與地表植物中。土壤環(huán)境中微塑料的主要來源是地膜與污水排放，因此我國不同地區(qū)的土壤環(huán)境污染微塑料分布呈現(xiàn)出“西北地區(qū)分布廣，東南地區(qū)分布少”的特點，而此類土壤環(huán)境作為用地類型，主要包括公園、耕地、工業(yè)區(qū)、景區(qū)、退耕濕地等。從全國范圍看，耕地中的微塑料污染始終占據(jù)主流。近幾年，雖然一系列阻斷方式起到了抑制微塑料分布范圍繼續(xù)擴大的作用，但受微塑料性質(zhì)的影響，如何對其進行有效處理仍是一個大難題。

2 微塑料在土壤植物中的遷移行為

植物生長以土壤為基質(zhì)，通過吸收其中的水分、微量元素、營養(yǎng)成分等獲得生長所需養(yǎng)分。當土壤環(huán)境遭到微塑料污染后，其表面與內(nèi)部會分布大量未降解的微塑料，此類物質(zhì)借助不同的遷移行為可以被植物吸收并進入植物內(nèi)部，進而對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生一定的影響。

微塑料在土壤植物中的遷移行為主要通過“塑料→土壤環(huán)境污染→微塑料→植物根系→植物可食用部分→食物鏈”等環(huán)節(jié)進行。當植物吸收土壤養(yǎng)料時，微塑料會通過植物根系進入植物內(nèi)部，在植物蒸騰作用下向上遷移至植物可食用部分，再次富集于食物鏈。從當前的研究成果看，當微塑料向植物體內(nèi)遷移時，決定遷移行為的遷移能力始終與微塑料粒徑、植物種類有關(guān)。當微塑料的粒徑較大時，它會堵塞植物細胞壁孔洞。例如，當微塑料在從植物維管向脈管遷移過程中堵塞細胞壁孔洞后，不僅會降低植物種子發(fā)芽率，還可能抑制其幼苗根的發(fā)育。值得注意的是，土壤環(huán)境遭遇微塑料污染時，微塑料本身比表面積較大、疏水性較強、表面帶有電荷，此時可以通過吸附其他污染物或污染因子形成對植物的復(fù)合污染。

3 微塑料對土壤植物的直接影響和間接影響

微塑料污染土壤環(huán)境后，會進一步影響土壤植物生長發(fā)育。通過查閱文獻資料，與同行開展技術(shù)交流，并總結(jié)日常環(huán)境管理工作經(jīng)驗，確認這種影響主要有直接影響和間接影響2種類型。為了論述其清晰性，分別從微塑料對植物生理指標的直接影響和微塑料通過改變土壤理性化性質(zhì)、生物群落結(jié)構(gòu)對植物生長發(fā)育產(chǎn)生的間接影響2個方面，展開具體分析。

3.1 直接影響

3.1.1 對種子發(fā)芽和生長的影響

土壤植物種子在萌發(fā)時期，將自身暴露于微塑料污染的土壤環(huán)境后，其生理指標如平均發(fā)芽時間、活力指數(shù)、發(fā)芽率會受到相應(yīng)的影響。以菜心種子發(fā)芽為例，微塑料顆粒粒徑存在差異，當微塑料顆粒粒徑為0.07 μm時，它會阻塞菜心種子細胞壁的孔洞，從而抑制種子發(fā)芽。當其粒徑范圍在1～20 μm時，經(jīng)過對微塑料粒徑的處理，菜心種子的發(fā)芽情況也會表現(xiàn)出不同的變化并產(chǎn)生一定的毒性作用。其原在于塑料顆粒粒徑進入菜心種子內(nèi)部后，其中的毒性可以遷移至細胞內(nèi)部，進一步阻礙菜心種子吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)。此外，微塑料主要分為聚甲基丙烯酸甲酯、線性低密度聚乙烯、乙烯—乙酸乙烯酯共聚物，它們濃度的高低直接關(guān)聯(lián)到抑制作用的強弱，從而對菜心的種子發(fā)芽率產(chǎn)生影響。

微塑料對種子發(fā)芽的影響會持續(xù)通過自身的遷移行為延續(xù)至種子的幼苗生長期、植株發(fā)育期。具體而言，當土壤環(huán)境中存在微塑料時，植物進入幼苗生長期會伸長它的根系向土壤吸收養(yǎng)分，此時微塑料形成的土壤污染環(huán)境可以弱化其新陳代謝，阻礙其植株發(fā)育。但不同的微塑料產(chǎn)生的抑制作用存在相應(yīng)差異。例如：高密度聚乙烯只有在高濃度條件下，才會對綠豆幼苗根系的伸長產(chǎn)生抑制作用；當小蔥幼苗根部生長時，其組織密度會受聚醚砜樹脂、聚乙胺所形成的土壤污染環(huán)境的影響，出現(xiàn)降低的現(xiàn)象；常見的聚氯乙烯微塑料不僅不會阻礙萵苣的生長，反而會使其幼苗根系增長、直徑增加、表面積擴大；覆蓋于農(nóng)田土壤的農(nóng)膜微塑料對大豆有顯著的抑制作用，可以阻礙其根鮮重、葉面積、株高等增加。

3.1.2 對植物光合作用的影響

植物主要借助光合作用完成物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化，微塑料進入植物體內(nèi)后，可以對光合作用產(chǎn)生一定的影響，阻礙植物植株發(fā)育。

第一，聚乙烯屬于當前應(yīng)用較多的材料，聚乙烯微塑料進入土壤環(huán)境后，會影響生菜葉片的光合作用，通過測定其中的指標發(fā)現(xiàn)，瞬時蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、光合作用速率3項主要指標均有明顯降低的現(xiàn)象。值得注意的是，當聚乙烯微塑料影響生菜葉片的光合作用時，其中的二氧化碳濃度呈現(xiàn)出顯著增加的現(xiàn)象。進一步看，植物細胞間的二氧化碳濃度是判定其光合速率變化是否由氣孔性限制引起的關(guān)鍵指標之一，當微塑料導(dǎo)致生菜葉片光合作用各項指標明顯下降且發(fā)生生菜葉片細胞間二氧化碳濃度增加的情況下，可以判定是非氣孔性限制弱化了其光合作用速率。根據(jù)現(xiàn)階段的研究，普遍認為關(guān)鍵酶在光合系統(tǒng)中會對非氣孔限制產(chǎn)生顯著影響，并與光合作用速率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。因此在二氧化碳利用率下降或其濃度增加時，植物葉片細胞受非氣孔限制會引發(fā)光合作用速率下降的情況。

第二，微塑料進入植物體內(nèi)后可對植物中的葉綠素產(chǎn)生影響，在使其發(fā)生代謝紊亂的同時，促進活性氧累積，然后在兩種危害下進一步破壞葉綠素結(jié)構(gòu)，進而達到減少葉綠素含量并抑制其光合作用的目的。一般而言，大豆、小麥、生菜、黃瓜、大蒜、擬南芥等植物，受到不同粒徑和濃度的聚氯乙烯、聚乙烯等微塑料影響后，雖然微塑料的毒性效應(yīng)存在差異，但都會在不同程度上通過影響植物光合作用、減少葉綠素等，影響植株生長發(fā)育。

3.1.3 對植物抗氧化系統(tǒng)的影響

微塑料除了對植物的種子、光合作用等產(chǎn)生影響，還可以進一步影響其抗氧化系統(tǒng)。具體而言，活性氧在植物體內(nèi)過多時會出現(xiàn)對植物的“氧化脅迫”現(xiàn)象。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，植物的正常生命活動會受到嚴重干擾，進而推動植物走向死亡。

植物體內(nèi)形成的抗氧化系統(tǒng)中含有3種酶即過氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶。它們的活性變化能夠準確反映出植物“氧化脅迫”現(xiàn)象及其程度。其中，后兩種酶對于活性氧具有一定的消除作用。例如，過氧化氫酶具有分解作用，當它分解了植物體內(nèi)的過氧化氫之后，它的含量會減少，進而阻止脂質(zhì)發(fā)生過氧化。

通常情況下，植物體內(nèi)形成的抗氧化系統(tǒng)本身具有自我調(diào)節(jié)功能，當微塑料對土壤環(huán)境產(chǎn)生污染并進入植物體內(nèi)后，受到微塑料的刺激，抗氧化系統(tǒng)會通過弱化、去除其中的活性氧，進而對其中的氧化損傷做出一定的調(diào)節(jié)。需要指出的是，這種抗氧化酶活性的“短暫升高”雖然能夠起到調(diào)節(jié)作用，但當土壤環(huán)境污染程度較為嚴重時，微塑料進入植物體內(nèi)通過破壞葉綠素而累積的活性氧含量超過了其調(diào)節(jié)范圍，不僅不能達到調(diào)節(jié)目的，還可能對上述酶造成相應(yīng)的損傷。由于土壤環(huán)境污染中微塑料的不同種類對植物產(chǎn)生的氧化應(yīng)激反應(yīng)存在差異，因此它對植物抗氧化系統(tǒng)的影響也會有所不同，具體見表1。

3.2 間接影響

3.2.1 通過改變土壤性質(zhì)影響植物生長

植物依賴土壤環(huán)境生存，土壤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變后可以在不同程度上對植物生長產(chǎn)生影響，微塑料對土壤環(huán)境的污染會改變土壤性質(zhì)，因此它能夠間接實現(xiàn)對植物生長的影響。具體而言，微塑料進入土壤環(huán)境后會改變土壤的物理性質(zhì)，包括酸堿度、容重、持水量等，當植物透過種子細胞壁和根系向土壤吸收營養(yǎng)時，會吸收到經(jīng)過微塑料改變的土壤物質(zhì)，從而在生長期間發(fā)生相應(yīng)的變化。

第一，在土壤酸堿度方面，高密度聚乙烯微塑料可以降低土壤酸堿度、聚乳酸微塑料會造成土壤酸堿度升高。

第二，在土壤容重方面，高密度聚乙烯、聚酰胺、聚醚砜樹脂、熒光聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯微塑料，均會降低土壤容重并增加土壤密度，尼龍微塑料則不會影響土壤容重。

第三，在土壤水分蒸發(fā)方面，聚乙烯地膜微塑料進入土壤環(huán)境后，微粒達到2 mm便會提升其中的水分蒸發(fā)量，當這種微塑料含量增加（減少）時，水分蒸發(fā)速率會隨之增加（減少），兩者之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。但聚酯纖維微塑料不僅不會影響土壤水分蒸發(fā)，還會增強其持水能力。

第四，在土壤中的酶活性影響方面，聚丙烯微塑料會刺激熒光素二乙酸水解酶活性，在這種微塑料濃度持續(xù)增加的條件下，可以增加其活性。低密度聚乙烯則能顯著提高過氧化氫酶、脲酶的活性等。從微塑料改變土壤理化性質(zhì)的情況看，主要通過微塑料種類、粒徑大小、形狀規(guī)則與否等產(chǎn)生影響，間接呈現(xiàn)于吸收了土壤營養(yǎng)成分的植物生理指標。

3.2.3 通過改變微生物群落影響植物生長

微塑料在改變土壤理性性質(zhì)與植物生理指標的同時，還會對植物根際微生物群落結(jié)構(gòu)造成一定的影響，包括影響其降低污染物或污染因素的能力，阻礙植物生長發(fā)育等。

第一，當聚乙烯和聚氯乙烯微塑料的粒徑在125 μm時，其污染物濃度（按質(zhì)量分數(shù)）為1%、5%、10%、20%，土壤中的微生物總量會增加。

第二，當高密度聚乙烯和聚氯乙烯微塑料粒徑分別為678、18 μm，濃度（按質(zhì)量分數(shù)）分別為1%、5%時，均可以增加植物根際的固氮菌。

第三，當高密度聚乙烯微塑料粒徑為2 mm×2 mm

×0.01 mm、濃度為0.076 g/kg時，在植物根際微生物群落中可見明顯的微生物富集現(xiàn)象，此類微生物均與微塑料降低相關(guān)。

第四，當聚丙烯微塑料粒徑為250 μm、濃度（按質(zhì)量分數(shù)）為7%和28%時，可提高土壤中的微生物呼吸速率等。除以上微塑料種類外，聚乙烯和聚醚砜樹脂等微塑料在不同粒徑、不同濃度條件下的毒性效應(yīng)也存在顯著差異，但此類微塑料對微生物群落結(jié)構(gòu)的改變間接影響著植物生長發(fā)育，當其產(chǎn)生積極影響時可以促進植物生長發(fā)育，反之則會抑制植物生長發(fā)育。因此，在新時期土壤環(huán)境污染微塑料對植物生長影響方面的研究中，應(yīng)區(qū)分有害、有益兩種影響，然后采用揚長避短的方法促進植物健康生長等。

4 結(jié)束語

微塑料是環(huán)境污染中的一種污染物或污染因素，具有來源廣、分布范圍大、降解難度大的基本特點，通過在土壤植物方面的遷移可以對植物產(chǎn)生不同程度的影響。其中，直接影響和間接影響均會影響植物生長發(fā)育，并通過植物內(nèi)部遷移方式危害生物生存。在新時期環(huán)保行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展過程中，相關(guān)部門應(yīng)加強環(huán)境污染中微塑料對土壤植物的影響研究，透過影響產(chǎn)生的根源制定一些適配性較高的防治措施，進而在控制微塑料對環(huán)境污染的前提下有效控制其對土壤植物的影響。

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