土壤微塑料污染及治理技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：X53

文章編號(hào)：1674-6139（2025）05-0065-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Soil Microplastics Pollution and Treatment Technologies

Pei Jianan’，Zhang Yongqi2

（1.Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan O3OO24，China; 2.XinghualingBranch，Taiyuan Public SecurityBureau，Taiyuan O3OoO9，China）

Abstract：Microlastics（Ms），sanmergingnviromentalpltant，avesallparticlese，largespecificsufceaeatrong hydrophobicityandarewidelydistributednddiiculttodegradeinsoilevironments，osingasinificantthreattosoilotes. Thisarticlefocudoeotticoflcolasticltiotroducdteoucs，typsnddstrbtiooficolastisil. Itexploredtheotetialadsoficroplasicstsoilevirontdteirioryctsoopowthdeveloentd lyzedtheadvantagsdpotetialssusoffourslcroplasticlutionmdiatiochologies，ncudingolsisooaaltc degradation，plantremediationandmicrobialdegradationThepaperprovidedrefereneandgdanefortheemovalandptioco trol of microplastics in soil environment in the future.

Key words：microplastics；soil；crop；pollution control；remediation technologies

前言

由于塑料的持久性、普遍性和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的威脅，塑料污染已成為最嚴(yán)峻的全球環(huán)境挑戰(zhàn)之一。微塑料（MPs）是指粒徑 lt;5mm 的塑料顆粒，會(huì)對(duì)海洋、河流、湖泊、土壤和大氣等各種環(huán)境造成污染。鑒于土壤和糧食生產(chǎn)與人類健康之間的緊密聯(lián)系，關(guān)于土壤微塑料的研究在近幾年變得非常熱門。微塑料可以通過污水灌溉、堆肥、大氣沉降等各種途徑以不同的形狀和粒徑進(jìn)入土壤，并因其對(duì)降解的高抗性而在土壤中持續(xù)存在數(shù)十年，進(jìn)而對(duì)作物和土壤生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的影響。

雖然土壤環(huán)境中的微塑料迅速增加，但目前大多數(shù)研究仍然集中在水環(huán)境或海洋環(huán)境中微塑料的修復(fù)工作上，對(duì)土壤微塑料污染修復(fù)缺乏關(guān)注。基于此背景，針對(duì)微塑料這一全球性的環(huán)境污染問題，研究系統(tǒng)介紹了微塑料在土壤中的來源、類型以及在土壤中的分布，研究討論了微塑料對(duì)土壤環(huán)境和對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響和潛在危害，歸納總結(jié)了最常用的四種土壤微塑料污染修復(fù)技術(shù)，并對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及潛在問題進(jìn)行了分析，以期為日后開展土壤微塑料風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及污染防控提供一定的理論依據(jù)和支持。

1土壤微塑料的來源、類型和分布

1.1土壤微塑料的來源

作為一種高分子化合物，塑料在食品包裝、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建筑材料等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示，2022年中國(guó)塑料制品總產(chǎn)量達(dá)到7771.6萬噸。土壤微塑料的主要來源是垃圾填埋、農(nóng)膜覆蓋、灌溉、污泥堆肥和大氣沉降等（見圖1）。

1. 1.1 垃圾填埋

塑料垃圾的處理方法和回收率直接影響進(jìn)入土壤的微塑料的數(shù)量和類型。目前，大多數(shù)國(guó)家塑料垃圾主要通過焚燒和填埋進(jìn)行處理，回收率相對(duì)較低。據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布的報(bào)告統(tǒng)計(jì)，全球每年生產(chǎn)的4億多噸塑料產(chǎn)品中，約2/3為短壽命的一次性塑料，每年產(chǎn)生的塑料廢棄物超2億噸。其中，只有大約 9% 被回收利用，大約 12% 被燒，其余 79% 最終堆積在垃圾填埋場(chǎng)或進(jìn)人自然環(huán)境中。垃圾填埋不僅占用大量土地，還會(huì)給周邊土壤環(huán)境帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。在數(shù)十年的填埋期間，填埋場(chǎng)內(nèi)各種環(huán)境因素如pH、溶解氧和溫度等都在經(jīng)歷動(dòng)態(tài)變化，其中可能發(fā)生的紫外線照射、熱降解、生物降解和氧化反應(yīng)等因素都會(huì)導(dǎo)致微塑料的產(chǎn)生。

1.1.2農(nóng)用塑料薄膜的使用

農(nóng)用薄膜的使用可以減少農(nóng)田水分的蒸發(fā)，減輕雜草、病害蟲對(duì)作物的影響，有效提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1995年－2020年中國(guó)農(nóng)用塑料薄膜使用量已由91.5萬噸增加到238.9萬噸，其中地膜使用量由47.0萬噸增加到135.7萬噸，地膜覆蓋面積由649.3萬公頃增加到1738.68萬公頃，占全球地膜使用量的 60% 以上，然而回收的塑料薄膜卻不到 60% ，可見農(nóng)用薄膜的廣泛使用和較低的回收效率使農(nóng)膜殘留已經(jīng)成為土壤微塑料的主要來源。此外，塑料薄膜的覆蓋時(shí)間明顯影響土壤中微塑料的濃度。覆蓋塑料膜5年、15年和24年的農(nóng)田中微塑料豐度分別為 和 1.08×10³ind/kg^[1] 。

1.1.3 污泥堆肥

污泥是污水處理過程所產(chǎn)生的固體沉淀物質(zhì)，污水中微塑料的去除率越高，產(chǎn)生的污泥中微塑料含量就越高，污泥沉積率可達(dá) 98.3% 。芬蘭某日處理量為 的污水處理廠每天通過污泥向環(huán)境中排放約 4.6×10⁸ 個(gè)微塑料顆粒。污泥中的N，P，K 和其他營(yíng)養(yǎng)元素可以提高土壤肥力，含有微塑料的污泥作為肥料使用，導(dǎo)致微塑料在土壤中積累。據(jù)估計(jì)，歐洲和北美每年通過污泥施用分別向土壤中引入 63.0～430 萬噸和 44.0～300 萬噸微塑料。隨著污泥的施用，土壤微塑料的豐度逐年增加，研究證明連續(xù)施用污泥的土壤微塑料豐度明顯高于不施用污泥的土地[2]。因此，污泥在農(nóng)田土壤中的廣泛使用是微塑料進(jìn)入土壤環(huán)境的一個(gè)潛在途徑。

1.1.4 污水灌溉

農(nóng)業(yè)灌溉用水一般可分為兩種類型：一種是地表水，主要來自河流，也是農(nóng)田的主要灌溉水源;此外，在缺水的干旱和半干旱地區(qū)，經(jīng)過污水處理廠處理的污廢水也被用于農(nóng)田灌溉。一項(xiàng)研究顯示，污水處理廠作為廢水集中處理與回用的場(chǎng)所，每升污廢水中含10044個(gè)微塑料顆粒。雖然污水處理能夠去除 90% 的微塑料，但長(zhǎng)期的污水灌溉仍然可以將大量的微塑料轉(zhuǎn)移到土壤中[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來中國(guó)污水處理量呈上升趨勢(shì)，截至2022年中國(guó)城市污水排放量已達(dá)6389707萬立方米，可見污水灌溉產(chǎn)生的微塑料不容忽視。此外，相比于地膜，污水灌溉中的微塑料種類更多，尺寸更?。?lt;0.05mm ），多以球形或者微珠的形式存在，在土壤中擁有更好的遷移能力，加劇了微塑料在土壤中的累積。

1.1.5 大氣沉降

大氣沉降是土壤微塑料污染的另一種潛在途徑。降雨和降雪在微塑料顆粒從大氣到土壤環(huán)境的沉積方面起著至關(guān)重要的作用。微塑料在大氣中的運(yùn)輸和沉降不受邊界限制，從而使土壤暴露于各種來源的微塑料污染。合成紡織纖維、合成橡膠輪胎的磨損和城市灰塵是大氣中微塑料的主要來源，碎片和纖維是大氣中最常見的微塑料形狀。Adhikari等[4]的研究結(jié)果顯示，大氣沉降增加了土壤中微塑料的含量，且在土壤中觀察到的微塑料主要類型是聚酰胺纖維。微塑料在大氣中的沉積速率與它們的大小有關(guān)，微塑料尺寸越大，它們?cè)谕寥辣砻娉练e和聚集的速度就越快。但目前對(duì)大氣沉降中微塑料的研究較少，微塑料在大氣環(huán)流中的遷移方式和沉降量有待進(jìn)一步探索。

1.2微塑料在土壤中的類型和分布

隨著微塑料的急劇增加，土壤環(huán)境已成為微塑料的“存儲(chǔ)倉庫”。土壤中微塑料的類型和含量如表1所示。從表1中可以看出，土壤中微塑料的類型主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酯（PES）、聚酰胺（PA）、人造絲（RY）、聚氨酯（PU）、醇酸樹脂（ALK）在部分類型的土壤中存在。土壤中大多數(shù)微塑料顆粒較小，通常以纖維、薄膜、顆粒和碎片的形式存在。此外，朱宇恩等[5]通過研究汾河地區(qū)的農(nóng)田土壤樣本，觀察到微塑料的表面有不同程度的損傷，邊緣粗糙且存在空隙，并有進(jìn)一步分解成更小的微塑料碎片的趨勢(shì)。

通過比較表中微塑料含量，不難發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的土壤中微塑料含量存在數(shù)量級(jí)差異。中國(guó)洱海林地、耕地、草地和河岸帶中檢測(cè)到微塑料含量為711±55n/kg ，黃土高原蘋果園微塑料豐度范圍在1750～6550n/kg ，丹江口庫區(qū)果園、旱地、水田和濕地中微塑料為 645～15161n/kg 。此外，微塑料在土壤環(huán)境中的分布還受到城市發(fā)展水平、人口密度和人類活動(dòng)的影響。不同土壤利用類型對(duì)微塑料的分布也有影響，某些特定的土地使用方式可能會(huì)加劇微塑料的積累和分布。

2微塑料對(duì)土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)的影響

微塑料可以通過各種途徑以不同的形狀和粒徑進(jìn)入土壤，從而改變土壤的理化性質(zhì)、影響土壤動(dòng)物的生長(zhǎng)和繁殖、破壞土壤微生物多樣性以及阻礙養(yǎng)分循環(huán)等。例如，聚酯、聚丙烯纖維、聚酰胺珠粒、聚酯纖維和聚乙烯碎片可以改變土壤的容重和保水能力。聚乙烯、聚苯乙烯、聚羥基丁酸酯等多種微塑料直接影響土壤pH值和有機(jī)碳含量。此外，微塑料具有較強(qiáng)的疏水性和較大的比表面積，會(huì)與持久性有機(jī)污染物、重金屬離子、抗生素等污染物結(jié)合，成為有害物質(zhì)的運(yùn)輸載體，增加有害元素生物可利用性的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)入土壤中的微塑料還可以被作物根部吸收運(yùn)輸，并通過木質(zhì)部導(dǎo)管輸送到地上部或者通過質(zhì)外體途徑內(nèi)化到維管柱附近，進(jìn)而影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。

如表2所示，微塑料對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育具有顯著的抑制作用，且抑制作用與粒徑大小有關(guān)，粒徑較小的微塑料對(duì)作物的抑制作用更顯著。微塑料會(huì)抑制種子的發(fā)芽率，影響根系活動(dòng)和根系生長(zhǎng)。土壤中微塑料進(jìn)入作物根部和種子囊孔隙，造成孔隙堵塞并抑制作物吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且會(huì)附著在胚根和根毛上降低蒸騰作用，進(jìn)而影響種子萌發(fā)和根系的正常發(fā)育。其次，微塑料會(huì)顯著降低作物葉片中的葉綠素含量。這表明微塑料也可通過影響光合作用效率，從而影響作物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成。此外，微塑料會(huì)影響作物的抗氧化系統(tǒng)，干擾作物中碳水化合物、氨基酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代謝途徑，從而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。安菁等[發(fā)現(xiàn)微塑料逆境脅迫激發(fā)了大豆自身的抗氧化體系。總的來說，微塑料對(duì)作物的影響機(jī)制是多方面的，需進(jìn)一步研究探索。

受資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的推動(dòng)，可生物降解塑料的需求不斷增加。可生物降解塑料可以被微生物分解為水、二氧化碳和甲烷，是目前公認(rèn)的微塑料污染問題的最佳解決方案。然而，最新研究表明，可生物降解塑料會(huì)比傳統(tǒng)塑料產(chǎn)生更多的微塑料，從而降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改變根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，影響揮發(fā)性物質(zhì)的釋放。如聚乳酸會(huì)對(duì)土壤中碳氮循環(huán)產(chǎn)生影響，可能會(huì)加劇土壤溫室氣體的生成?？缮锝到馑芰显诮到膺^程中產(chǎn)生的低聚物和單體等殘留物易被土壤動(dòng)物攝入，對(duì)土壤動(dòng)物的生長(zhǎng)、繁殖和行為等產(chǎn)生一系列毒理學(xué)影響?？缮锝到馑芰线€可以與其他污染物相互作用，對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生聯(lián)合毒性。此外，與不可生物降解的微塑料相比，可生物降解塑料對(duì)作物的風(fēng)險(xiǎn)也更大。例如，聚乳酸被證明會(huì)降低玉米的葉片生物量，而聚乙烯對(duì)玉米沒有明顯的毒性。在添加 2.5% 可生物降解塑料種植菜豆后，葉綠素含量、葉面積和生物量均顯著降低?？缮锝到馑芰蠈?duì)作物生長(zhǎng)的影響原因很復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，可生物降解塑料降解產(chǎn)生的化合物和副產(chǎn)物對(duì)植物生長(zhǎng)有直接的毒性作用，其中間體或最終代謝產(chǎn)物對(duì)土壤性質(zhì)和土壤生物的影響也可能是造成這一現(xiàn)象的原因[7]

3土壤微塑料污染修復(fù)技術(shù)

近年來，微塑料對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境和人類生命安全造成了極大危害，因此對(duì)微塑料污染的修復(fù)刻不容緩。目前，最常用的土壤微塑料污染修復(fù)技術(shù)有熱解、光催化降解、植物修復(fù)和微生物降解等。

3.1 熱解

熱解是一種利用熱量和壓力將長(zhǎng)鏈聚合物分子分解成更簡(jiǎn)單、更小的分子的過程。熱解已被證明對(duì)分散在土壤表面的塑料垃圾非常有效，且適用于大多數(shù)類型的塑料垃圾，包括PET、PE、PP和PS等。污泥堆肥是土壤中微塑料的重要來源之一。已有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱解溫度達(dá)到 450^°C 時(shí)，污泥中的PE-MPs和PP-MPs被完全降解。低溫下不完全熱解可能會(huì)導(dǎo)致殘留的微塑料吸附其他污染物對(duì)土壤造成復(fù)合污染，催化劑的引入解決了不完全熱解的問題。催化熱解在降低溫度要求、節(jié)省成本和提高產(chǎn)品選擇性方面比傳統(tǒng)熱解更有效。熱解不會(huì)將額外的空氣或氧氣引入加熱過程，還可以通過調(diào)整工藝參數(shù)，如原料、反應(yīng)時(shí)間、溫度和催化劑等來提高效率。但是熱解技術(shù)能耗高、成本高，具有潛在的環(huán)境影響，可能不適合大規(guī)模應(yīng)用。

3.2 光催化降解

近年來，光催化技術(shù)在塑料廢物資源化領(lǐng)域顯示出巨大潛力。在光催化系統(tǒng)中，光催化劑產(chǎn)生的空穴和活性氧物種能夠?qū)⑺芰蠌U物氧化分解為小分子有機(jī)物。微塑料的光催化降解主要包括三個(gè)步驟，即光的吸收、光生電子和空穴的分離和遷移以及光催化劑表面的氧化還原反應(yīng)。半導(dǎo)體材料和二氧化鈦（ TiO₂ ）是最常用的光催化劑。有研究者將聚吡咯 TiO₂ （ PPy/TiO₂ ）納米復(fù)合材料用作光催化劑，在陽光直射下降解PE塑料。FT－IR光譜研究表明PE-PPy/Ti0₂ 界面處存在強(qiáng)烈的相互作用，從而導(dǎo)致PE降解。研究人員還通過金屬離子摻雜或染料敏化來改性光催化劑，以提高復(fù)合塑料的固相光催化降解活性[8]。光催化降解是一種對(duì)散落在土壤表面的塑料碎片十分有效且環(huán)保的方法，但土壤較深處的微塑料無法被處理到且殘留的催化劑可能造成土壤環(huán)境的二次污染。

3.3植物修復(fù)

植物修復(fù)是利用植物自身特點(diǎn)和功能使環(huán)境（土壤、沉積物、水體、大氣）污染得到治理的一項(xiàng)綠色生態(tài)技術(shù)。盡管微塑料在土壤中具有持久性，但植物修復(fù)被認(rèn)為是土壤微塑料污染的潛在原位修復(fù)方法。微塑料的植物修復(fù)機(jī)制主要包括植物提取、植物穩(wěn)定和植物過濾三個(gè)部分。Austen等[9的研究證明樺樹具有修復(fù)微塑料污染土壤的潛力，并且觀察到間作或單作可以顯著降低土壤中微塑料的濃度。微生物（例如根瘤菌和內(nèi)生菌）也可以通過刺激植物生長(zhǎng)來提高植物修復(fù)的效率。植物修復(fù)技術(shù)成本低、經(jīng)濟(jì)適用、生態(tài)友好、二次污染可控。然而，合適的植物種類、氣候條件和土壤類型對(duì)于修復(fù)的有效性至關(guān)重要。此外，必須定期監(jiān)測(cè)植物中的微塑料水平，當(dāng)微塑料超過植物的最大耐受極限時(shí)，必須對(duì)植物進(jìn)行合理處理，防止對(duì)環(huán)境、動(dòng)植物造成進(jìn)一步危害。

3.4微生物降解

微生物降解是指微生物通過純菌株、微生物群落或聯(lián)合體利用塑料作為底物生長(zhǎng)從而使塑料降解的過程。微生物可以將有機(jī)聚合物分解成 CO₂ 、CH₄ 、水和無機(jī)物，是降解微塑料較為理想的選擇。細(xì)菌、真菌、細(xì)菌群落和藻類等被發(fā)現(xiàn)可以降解微塑料。Auta等[\"]利用土壤中的微生物群落對(duì)被微塑料污染的紅樹林土壤進(jìn)行了原位修復(fù)。結(jié)果表明，在 90d 的實(shí)驗(yàn)期后，微塑料含量顯著降低。超高溫堆肥技術(shù)（HTC）已被證實(shí)可以應(yīng)用在微塑料的原位生物降解中。Thermus、Bacillus和Geobacillus是HTC過程中具有高生物降解效率的主要細(xì)菌，在這些細(xì)菌的作用下， 7.3% 的PS 微塑料被降解[8]。微生物降解是一種極具成本效益且對(duì)環(huán)境友好的微塑料修復(fù)技術(shù)，但微生物降解的效果受到環(huán)境因素的限制，如 ΔpH 、溫度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

4結(jié)論

微塑料種類多、分布廣、危害大，已成為全球性環(huán)境污染問題。作物在生長(zhǎng)過程中最容易受到土壤環(huán)境的影響，而尺寸較小的微塑料會(huì)遷移進(jìn)入作物體內(nèi)并累積，最終通過食物鏈危害人類健康。因此，文章概述了土壤中微塑料的來源、類型和分布，討論了土壤中微塑料對(duì)土壤環(huán)境和作物生長(zhǎng)和發(fā)育的影響，提出了四種土壤中微塑料的修復(fù)技術(shù)，即熱解、光催化降解、植物修復(fù)和微生物降解。雖然這些技術(shù)在處理土壤微塑料污染中具有前景和潛力，但仍存在一定的局限性。建議未來從微塑料污染源的控制、塑料廢物的合理處置、可代替塑料的環(huán)保型產(chǎn)品的研發(fā)以及微塑料污染治理新技術(shù)的開發(fā)入手，探索更具潛力且安全的污染治理手段，為緩解土壤微塑料污染提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明宇，鄭旭，強(qiáng)麗媛，等.1994年-2020年中國(guó)農(nóng)用薄膜使用量變化與農(nóng)膜微塑料污染現(xiàn)狀分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2023，32（11）：2050-2061.

[2]FanWX，Qiu CS，QuQ，etal．Sourcesand identification of microplastics in soils[J].Soil amp; Environmental Health， 2023，1（2）：100019.

[3]張永江，陳洪敏，吳麗君，等.土壤微塑料污染和農(nóng)業(yè)安全：來源、影響和去除[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，42（4）：31-43.

[4]Adhikari K.，PearceC.I.，SanguinetK.A.，etal.Accumulation of microplastics in soil after long-term application of biosolids and atmospheric deposition [J].Science of The Total Environment，2024，912：168883.

[5]朱宇恩，文瀚萱，李唐慧嫻，等.汾河沿岸農(nóng)田土壤微塑料分布特征及成因解析[J].環(huán)境科學(xué)，2021，42（8）：3894-3903.

[6]安菁，劉歡語，鄭艷，等.土壤微塑料殘留對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)及生理生化特征的影響[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，39（1）：41-46.

[7]Liu JX，HanSQ，WangPY，etal.Soil microorganisms playan important role in the detrimental impact of biodegradable microplastics on plants[J].Science of The Total Environment， 2024，933：172933.

[8]ZhuJY，DongGW，F(xiàn)engF，etal.Microplasticsinthe soil environment：Focusing on the sources，its transformation and change in morphology［J].Science of The Total Environment， 2023，896：165291.

[9]AustenK.，MacLeanJ.，BalanzateguiD.，etal.Microplastic inclusion in birch tree roots[J].Science of The Total Environment，2022，808：152085.

[10]AutaH.S.，Abioye O.P.，Aransiola S.A.，et al.Enhanced microbial degradation ofPET and PS microplastics under natural conditions in mangrove environment[J].Journal of EnvironmentalManagement，2022，304：114273.