雷雨辰, 錢 靜, 張偉平, 張成麗,2,3,4,5 *

(1. 河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封 475004； 2. 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點實驗室(河南大學(xué))，河南 開封 475004；3. 河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃國家級實驗教學(xué)示范中心，河南 開封 475004； 4. 河南省環(huán)境與健康工程技術(shù)研究中心(河南大學(xué))，河南 開封 475004； 5. 河南省土壤重金屬污染控制與修復(fù)工程研究中心(河南大學(xué))，河南 開封 475004)

塑料具有綜合性能好、可塑性強、適用性廣等特點，目前被廣泛應(yīng)用于各類行業(yè)中，同時也帶來了大量的塑料垃圾。但是被回收處理的塑料只有不到總量的10%，大部分的塑料都積累在垃圾填埋場或自然環(huán)境中[1]，對環(huán)境造成了很大的風(fēng)險。這些塑料垃圾大多不會全部消失，而是受紫外線輻射或機械破碎等作用被分解成更小的塑料碎片，甚至分解為粒徑更小的微塑料[2]。微塑料指的是粒徑小于5 mm的塑料碎片和顆粒[3]。相比于大型塑料碎片，微塑料粒徑較小且可以吸附多種污染物[4]，可能對環(huán)境造成持續(xù)的復(fù)合污染。

目前，微塑料污染已經(jīng)引起了全球的廣泛關(guān)注，但主要集中于水環(huán)境微塑料污染問題[5]。相較于水環(huán)境微塑料研究，由于存在土壤質(zhì)地復(fù)雜、土壤微塑料提取困難等問題[6]，土壤微塑料污染的研究發(fā)展較為緩慢。作為海洋微塑料污染的源頭之一[7]，土壤微塑料污染的情況更加嚴重。據(jù)估計，僅歐洲和北美每年輸入農(nóng)田土壤中的微塑料就已經(jīng)超過了向全球海洋地表水中總的輸入量[8]。輸入土壤中的微塑料將會對土壤造成長期的影響。已有研究表明，在土壤環(huán)境中的微塑料可以使土壤理化性質(zhì)、酶活性、及微生物群落結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變[9-11]。此外，微塑料生產(chǎn)過程中所使用的添加劑如鄰苯二甲酸酯(PAEs)[12]、多溴聯(lián)苯(PCBs)[13]、雙酚A(BPA)[14]等，均屬有害物質(zhì)，其浸出也會對環(huán)境造成極大的危害。同時，微塑料由于具有粒徑小、比表面積大、疏水性強等特點，易吸附重金屬和有機污染物[15-16]，增加了土壤環(huán)境的污染風(fēng)險。攜帶污染物質(zhì)的微塑料，可能通過多種途徑進入食物鏈，加劇污染物的生態(tài)健康風(fēng)險[17]。

本文對土壤微塑料的來源、土壤樣品中微塑料的分離和鑒定方法、微塑料在土壤中的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)進行了綜述，并對土壤微塑料污染問題的未來研究前景進行了展望，以期對土壤微塑料污染防治提供一定參考。

1 土壤微塑料的來源

1.1 農(nóng)用塑料薄膜的使用

農(nóng)膜因具有增溫、保水、防蟲等作用而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中被廣泛使用。據(jù)報道，從1991年至2016年，我國的農(nóng)用塑料薄膜使用量從64.2萬噸增長到了260.3萬噸，并且在未來很有可能持續(xù)增加[18]。LIU等[19]對我國主要地膜覆蓋地區(qū)的調(diào)查表明，長期地膜覆蓋(10年以上)的耕地土壤中，土壤地膜含量為50～260 kghm-2。而RAMOS等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤中聚乙烯(PE)農(nóng)膜殘留土壤面積占總研究區(qū)域面積的10%。然而，土壤中存留的塑料薄膜，可以經(jīng)過物理破碎、化學(xué)分解和生物降解等多種作用轉(zhuǎn)化為微塑料[21]。長期大量使用塑料農(nóng)膜，不可避免地會使廢棄農(nóng)膜在土壤中殘留累積，向土壤中持續(xù)輸入微塑料污染物。

1.2 污泥堆肥的施用

污泥中富含豐富的有機質(zhì)和植物所需的養(yǎng)分及微量元素，污泥作為有機肥直接施用于土壤的現(xiàn)象十分常見。但有研究表明，污水處理廠污水中的微塑料，95%以上都被保留在了活性污泥中[22]，因此施用污泥會給農(nóng)田土壤帶來極大的微塑料污染風(fēng)險。近期，針對連續(xù)施用污泥的土壤微塑料的研究表明，每次施用污泥將會使土壤中的低密度和高密度微塑料平均分別增加280 kg-1和430 kg-1[23]。據(jù)NIZZETTO等[8]估計，在歐洲和北美約有50%的污泥會被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，這一行為將分別向歐洲和北美的土壤中輸入6.3～43.0萬噸和4.4 ～30.0萬噸的微塑料。

污泥的另一個用途是堆肥。污泥堆肥既解決了污泥的處置問題，又可為植物生長提供養(yǎng)料。但是，在堆肥的過程中，大多會摻入一些其他物質(zhì)。例如，澳大利亞政府允許在堆肥原料中摻入多達堆肥產(chǎn)品質(zhì)量0.5%的硬質(zhì)塑料和0.05%的柔性塑料或塑料薄膜[24]，而其生產(chǎn)過程中物料的破碎、翻轉(zhuǎn)和熟化均會加速微塑料的產(chǎn)生，且已有研究證實堆肥產(chǎn)品中存在較高濃度的微塑料。WEITHMANN等的研究表明，每千克堆肥產(chǎn)品中微塑料的數(shù)量高達895 個，BRINTON關(guān)于城市固廢堆肥的研究也有相似的結(jié)果(直徑<2 mm的微塑料質(zhì)量占堆肥總質(zhì)量的0.5%～0.6%)[25-26]。據(jù)統(tǒng)計，全球各地堆肥產(chǎn)品施用量通常為30～35 thm-2，僅我國通過堆肥進入到農(nóng)田土壤中的微塑料就高達52～26 400 t[27-28]。因此，農(nóng)田施用污泥和堆肥產(chǎn)品，是微塑料向土壤輸入的一個重要途徑。

1.3 塑料制品的使用

塑料制品從問世以來即被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)之中。比如塑料袋和塑料飯盒等一次性塑料制品的使用，為人類生活提供了諸多便利，但塑料固體廢物處理不當，導(dǎo)致了塑料碎片在環(huán)境中大量累積，給環(huán)境帶來了巨大的壓力[29]。據(jù)GEYER等[1]預(yù)測，到2050年，預(yù)計產(chǎn)生約6.3億噸塑料垃圾，其中約有1.2億噸將被轉(zhuǎn)移到垃圾填埋場或進入自然環(huán)境中。在土壤中的塑料不能被降解，只會分解為更小的微塑料，加劇土壤微塑料的污染風(fēng)險[30]。因此，大量塑料制品的使用是土壤微塑料的來源途徑之一。

1.4 灌溉用水輸送

目前，關(guān)于水體微塑料的相關(guān)研究已有很多，是微塑料在水體中大量存在的有力證據(jù)。微塑料在我國的水域中也廣泛存在，據(jù)研究，長江中下游平均每平方公里的水域有4.92×105個微塑料[31]。微塑料可以通過農(nóng)田灌溉進入土壤，而根據(jù)LUO等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，微塑料污染的豐度和性質(zhì)在不同水體中存在差異，小型淡水水體中的微塑料通常污染比河口和沿海水域更為嚴重。此外，在世界范圍內(nèi)，污水灌溉也十分普遍。據(jù)統(tǒng)計，截止至2013年，全球使用未經(jīng)處理或部分處理的污水灌溉的土地面積就已達到2×107hm2，約占全部灌溉土壤面積的7%[33]。MAJEWSKY等[34]對城市污水處理廠的出水樣品中微塑料濃度進行了測定，結(jié)果表明，城市污水處理廠處理后的污水中微塑料的濃度為81～257 mgm-3。然而，實際的農(nóng)業(yè)灌溉活動中還存在未經(jīng)處理的污水直接用于農(nóng)田灌溉的情況[35]，因此，通過灌溉用水進入到土壤中的微塑料總量可能更高，對土壤造成的污染風(fēng)險更大。

1.5 大氣沉降輸入

大氣沉降也是土壤微塑料的來源之一。有文獻報道，大氣顆粒物中含有大量的微塑料。DRIS等[36]對于巴黎地區(qū)的大氣微塑料研究發(fā)現(xiàn)，巴黎地區(qū)每天大氣沉降的微塑料豐度為2～355 n·m-2，每年大氣沉降的纖維狀微塑料重量達3～10 t。YUKIOKA等[37]對日本草津、越南峴港和尼泊爾加德滿都地面道路揚塵中的微塑料研究顯示，日本草津、越南峴港和尼泊爾加德滿都三個地區(qū)道路揚塵中粒徑為0.01～5.00 mm的微塑料豐度分別為2.0±1.6、19.7±13.7和12.5±10.1 n·m-2。此外，建筑材料、人造草坪和家居灰塵等，也可以向大氣中輸入微塑料，從而增加大氣中微塑料的豐度[2]。含有微塑料的大氣顆粒物，可以通過各種風(fēng)力輸送，干、濕沉降進入土壤[38]。研究表明，在受人類活動影響十分微弱的偏遠地區(qū)中土壤微塑料的輸入形式主要為大氣沉降[39]。因此，大氣沉降對土壤中微塑料的輸入也具有一定的貢獻，但目前關(guān)于大氣沉降微塑料的研究相對較少，應(yīng)更加重視大氣中微塑料方面的研究。

2 土壤微塑料的分析

2.1 土壤中微塑料的分離

目前土壤環(huán)境樣品中常見的微塑料主要有聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)和聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等，其對應(yīng)的密度分別為0.91～0.94、1.10～1.30、1.03～1.07、0.89～0.93、1.20～1.30 gcm-3和1.33～1.41 gcm-3。而土壤的密度一般為2.60～2.70 gcm-3，與微塑料的密度存在較大差異。因此，利用微塑料和土壤樣本基質(zhì)的密度差，可以達到從土壤中分離微塑料的目的。

目前土壤樣品中提取微塑料常用的方法是使用鹽飽和溶液浮選微塑料，常用的浮選液有過濾海水、蒸餾水、NaCl溶液(ρ=1.2 gcm-3)、CaCl2溶液(ρ=1.5 gcm-3)、ZnCl2溶液(ρ=1.6～1.7 gcm-3)、和NaI溶液(ρ=1.8 gcm-3)[39-41]。但是這些浮選液在分離過程中都有一定的不足之處，例如過濾海水、蒸餾水或NaCl溶液，具有廉價易得、對微塑料破壞性小等特點，然而溶液密度較小，無法分離如PVC和PET等密度較高的微塑料從而降低微塑料的提取效率。CaCl2溶液、ZnCl2溶液、和NaI溶液都對微塑料有很好的提取效果，但是也存在一定的問題。在使用CaCl2溶液作為浮選液時，Ca2+容易與土壤中的有機質(zhì)結(jié)合，在分離微塑料時會有過多的有機質(zhì)被分離出來[39]。ZnCl2溶液具有一定的毒性，會對環(huán)境造成負擔，此外ZnCl2溶液pH較低，能與土壤中的碳酸鹽等成分反應(yīng)產(chǎn)生大量泡沫不利于微塑料的分離[42]。NaI溶液密度最高，分離效果最為明顯，但NaI較為昂貴，在大批量實驗時需要費用較高。不過也有研究使用了NaCl溶液和NaI溶液兩步分離的方法來提取微塑料，不但提取效果較好，而且減少了NaI的使用量，節(jié)約了實驗成本[43]。此外，分離土壤樣品中微塑料的過程中，還需考慮到微塑料被包裹在土壤團聚體中的情況，因此在分離之前可以采用超聲處理的方法來提高微塑料的分離效率[44]。

2.2 土壤微塑料樣品的消解

利用微塑料和土壤的密度差異，能夠?qū)⑽⑺芰蠌耐寥乐刑崛〕鰜?。但土壤中含有的動、植物殘體等有機質(zhì)和微塑料密度相近，也會同微塑料一起被分離出來。因此，土壤微塑料樣品在分離之后，需要通過消解去除附著在微塑料表面的有機質(zhì)等雜質(zhì)。微塑料樣品消解的方法主要有酸消解法、堿消解法、酶消解法和H2O2消解法(表1)等。酸消解法常使用HCl、HNO3等試劑，但會破壞微塑料的表面結(jié)構(gòu)[39, 45]。堿消解法常用KOH和NaOH作為消解劑，在消解生物體方面有很大的優(yōu)勢，但在消解土壤樣品時無法去除土壤中腐殖質(zhì)等不溶于堿的物質(zhì)[33]。酶消解法常用蛋白酶、纖維素酶等消解劑，具有專一性，對有機質(zhì)的去除率較高，而且在常溫下可以進行，不會微破壞塑料表面結(jié)構(gòu)，此外酶消解也被認為是在傅立葉變換紅外光譜法(FT-IR)分析前對樣品干擾較小的方法，但酶消解法需要多種酶消解樣品中不同種類的有機質(zhì)，成本昂貴[44, 46-47]。H2O2消解法也是土壤微塑料樣品的一種常用消解方法，H2O2消解反應(yīng)比較溫和，短時間(24 h)不易對塑料表面造成破壞，但是溫和的反應(yīng)需要較長的反應(yīng)時間，當將微塑料樣品放置在30%的H2O2溶液中7 d后會產(chǎn)生明顯的微塑料降解現(xiàn)象[48-50]。利用H2O2溶液配制Fenton試劑也可對土壤微塑料樣品進行消解，F(xiàn)enton試劑在常溫下比H2O2溶液反應(yīng)速率快且易制取，對有機質(zhì)有良好的消解效果，不會對微塑料表面造成破壞，但需注意使用Fenton試劑消解時應(yīng)嚴格的控制溶液的pH(pH=3.0～5.6)以保證消解效果[47]。

表1 土壤微塑料的消解方法

2.3 土壤微塑料的檢測

土壤微塑料的分析方法主要分為定性分析和定量分析兩個方面，定性分析確定了微塑料的形貌、粒徑、顏色和成分等理化性質(zhì)，定量分析則確定了微塑料在土壤環(huán)境中的豐度。借助顯微鏡等光學(xué)儀器對微塑料目視鑒別是最直接、簡單的定性方法，但對粒徑較小、顏色透明的微塑料進行檢測時容易受鑒別者主觀判斷的影響使鑒別結(jié)果誤差較大。對于粒徑較小的微塑料，則可以借助掃描電鏡(SEM)來獲得更清晰的圖片，對比微塑料的表面紋理和形貌特征來輔助鑒別[51]。通過目視鑒別的微塑料還需通過化學(xué)表征分析進一步確定其具體成分。傅立葉變換紅外光譜法(FT-IR)可以識別物質(zhì)特定的化學(xué)鍵，不僅有助于識別微塑料，還可以確定微塑料的種類[4]。FT-IR檢測也有一定的局限性，F(xiàn)T-IR檢測容易受微塑料形狀、大小、厚度的影響，此外一些黑色的微塑料顆粒由于對紅外輻射有較高的吸收率會出現(xiàn)無法識別的狀況[41, 44]。拉曼光譜也可用于微塑料鑒定中而且比FI-TR具有更高的分辨率，但是微塑料中添加的塑化劑、色素等其他物質(zhì)可能會干擾目標光譜從而影響識別[52-53]。此外熱重分析-質(zhì)譜聯(lián)用(TGA-MS)也可以用于微塑料的檢測，這種方法不會受到土壤有機質(zhì)的影響，但目前只有PE和PP可以被明確的識別而且加熱過程會對微塑料造成永久性的破壞[34, 54]。

微塑料的定量方法主要有目視計數(shù)法和稱重法。目視計數(shù)法的單位通常為n·kg-1，適用于粒徑較大、特征明顯的微塑料；對于含有高濃度微塑料的土壤樣品，稱重法則更為適合，稱重法的單位通常為 mgkg-1。如前文所述，目視鑒別法具有誤差較大的缺點，目前已有一些研究通過優(yōu)化鑒別方法減小了誤差。ZHANG等[55]將土壤樣品130 ℃加熱3～5 s使微塑料受熱融化，通過對比加熱前后的顯微鏡圖片輔助鑒別提高微塑料的定量效率。也有研究使用尼羅紅等疏水性熒光染料對微塑料進行染色以達到提高鑒別效率的目的，但是尼羅紅等染料也會對土壤中有機質(zhì)等疏水性物質(zhì)染色，高估了樣品中微塑料的豐度[41, 56]。高光譜成像技術(shù)在鑒別微塑料應(yīng)用中也很有潛力，這種技術(shù)不需要對樣品進行前處理，可以直接在土壤表面檢測出粒徑在0.5～5 mm的微塑料，但是高光譜成像技術(shù)只能用于檢測土壤表面的微塑料[57]。目前關(guān)于微塑料質(zhì)量濃度的研究較少，主要是通過熱重分析-質(zhì)譜聯(lián)用(TGA-MS)的方法檢測微塑料熱解后的氣體濃度達到定量微塑料的目的。

表2 土壤微塑料的分析方法

3 土壤微塑料的環(huán)境行為

3.1 土壤微塑料的空間分布

土壤微塑料的分布受多種因素影響，從總體上講，微塑料在土壤中的豐度與人類活動有著密不可分的關(guān)系。例如，土地利用方式、產(chǎn)業(yè)類型等都會對土壤微塑料的分布造成影響。一般來說，工業(yè)用地土壤中的微塑料豐度高于居住用地、耕地、林地等[58-59]。不同的耕作方式也對土壤中的微塑料分布有一定的影響，例如ZHOU等[60]對覆膜耕作和無覆膜耕作的土壤中微塑料豐度的研究表明，覆膜耕作的土壤中微塑料濃度是無覆膜耕作土壤中的兩倍。此外，土壤中的微塑料豐度，還與人口有關(guān)，人口多的地區(qū)微塑料的使用量較大，易造成土壤微塑料污染，而對于一些人跡罕至的地區(qū)，土壤微塑料的主要來源是大氣沉降，因此微塑料豐度較低[39]。目前，關(guān)于土壤微塑料的空間分布研究，還處于土壤微塑料污染現(xiàn)狀調(diào)查階段(表3)，仍需進一步研究。

表3 部分研究區(qū)域土壤微塑料污染現(xiàn)狀

3.2 微塑料在土壤中的遷移

與土壤中的其他污染物一樣，微塑料可以在土壤中遷移，而土壤疏松多孔的結(jié)構(gòu)則為粒徑較小的微塑料的遷移提供了條件。同時，微塑料在土壤中的遷移也受到微塑料性質(zhì)(密度、粒徑、形狀)、氣候變化、生物擾動和機械外力作用等因素的影響。目前，相關(guān)研究集中于環(huán)境因素對土壤微塑料遷移的影響，其中生物擾動是土壤中微塑料從表層向深層遷移的一個重要因素。MAASS等[65]通過2種彈尾蟲對微塑料的遷移研究發(fā)現(xiàn)，微塑料顆?？梢栽趯嶒炇噎h(huán)境中通過附著在彈尾蟲的角質(zhì)層上移動。此外，微塑料通過不同物種遷移的距離也存在差異，一些研究也證明了微塑料可以通過粘附在蚯蚓體表在土壤中向下遷移，粒徑越小的微塑料遷移性越強，且微塑料在土壤中向下遷移的數(shù)量與微塑料濃度也有關(guān)[66-67]。

目前，也有一些研究者通過土柱試驗研究了微塑料在土壤中的遷移規(guī)律。O’CONNOR等[68]通過模擬微塑料在沙土柱中的遷移，發(fā)現(xiàn)微塑料的遷移深度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，二者之間有明顯的線性關(guān)系(r=0.82)。WU等[69]對聚苯乙烯納米塑料(PSNPs)在沙漠土、黑土和紅土中遷移的土柱實驗中發(fā)現(xiàn)，PSNPs在土壤中的遷移對土壤理化性質(zhì)、離子強度和陽離子類型非常敏感，納米塑料在高pH、低離子強度和低Fe/Al氧化物含量的土壤中有很強的遷移能力。上述相關(guān)土壤微塑料遷移的相關(guān)研究，主要集中于粒徑較小的微塑料，對于粒徑較大的微塑料的研究較少。有學(xué)者認為，粒徑較大的塑料在土壤中的遷移因素主要是機械擾動，例如耕作、犁地、收獲根莖類作物等將會導(dǎo)致表土中的微塑料進入深層土壤[70]。

3.3 微塑料添加劑的浸出

在塑料的制造過程中，會根據(jù)需要摻入如PAEs和BPA等各種添加劑。這些添加劑相對分子質(zhì)量低，不受微塑料的化學(xué)約束，容易沿濃度梯度向外滲透。同時，由于磨損、老化等自然變化，也將不斷暴露出新的表面，從而加速微塑料中的添加劑向外擴散[71]。鄰苯二甲酸酯(PAEs)是塑料生產(chǎn)中的常用添加劑，具有致癌性、致畸性和致突變性。土壤中PAEs不僅可以改變土壤微生物群落的豐度和結(jié)構(gòu)、降低作物質(zhì)量，還會進入食物鏈中威脅人體健康[72]，目前已受到廣泛重視。張欣等[73]對遵義市地膜覆蓋的煙田土壤中PAEs的累積進行研究，得知持續(xù)的使用地膜會使PAEs在土壤和煙葉中富集，而且土壤和煙葉中的PAEs的富集量隨著地膜使用年限的增長而增加。在我國山東半島，地膜的大量使用也導(dǎo)致土壤中PAEs含量較高，36個地膜覆蓋的菜地土壤中16種PAEs總含量為1.37～18.81 mgkg-1，平均含量為6.47 mgkg-1[74]。另有研究表明PVC微塑料中添加的BPA浸出會對活性污泥的厭氧消化有抑制作用[14]，因此,土壤微塑料浸出的BPA也極有可能影響土壤微生物群落。微塑料在生產(chǎn)過程中添加的物質(zhì)種類十分復(fù)雜，不同的添加劑對土壤環(huán)境造成的影響也不同。目前關(guān)于微塑料添加劑浸出對土壤環(huán)境的影響研究十分缺乏，需要大量研究明確不同添加劑對土壤環(huán)境的影響。

3.4 微塑料對污染物的吸附

微塑料具有粒徑小、比表面積大、疏水性強等特點，對PCBs[75]、PAHs[76]、DDTs[77]、抗生素[78]、重金屬[79]和農(nóng)藥[80]均有很強的吸附能力，可以作為污染物載體加速污染物在土壤中的遷移[81-82]。吸附污染物的微塑料可以在土壤中長期存在，可能會帶來潛在生態(tài)風(fēng)險。RAMOS等[20]研究表明，PE薄膜微塑料(584～2 284 μgg-1)比周圍土壤(13～32 μgg-1)對農(nóng)藥的富集能力更強。農(nóng)藥還能在沒有有機溶劑的情況下，從塑料薄膜的表面遷移到內(nèi)部。有研究認為，微塑料的疏水性在其對有機污染物的吸附中起主導(dǎo)作用[83]。

此外，長期存在于土壤中的微塑料，由于磨損、老化等作用，其表面往往帶有電荷，可以增強其對重金屬的吸附作用[84]。ZHOU等[79]的研究表明，土壤中的微塑料可以不同程度地吸附重金屬(Cd、Pb、Mn和Hg)，且吸附量與土壤重金屬的污染程度具有密切相關(guān)，受重金屬污染越嚴重的土壤中，微塑料吸附的重金屬越多。微塑料不但可以通過絡(luò)合作用吸附重金屬[85]，而且可以通過影響土壤微環(huán)境條件等作用，降低土壤重金屬(Cu、Cr、Ni)的交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，增加土壤重金屬有機結(jié)合態(tài)[86]。雖然，已有文獻對于微塑料吸附污染物進行了研究，但是對于吸附于微塑料表面的多種污染物的復(fù)合效應(yīng)、相互作用研究較少，需要開展關(guān)于微塑料表面污染物復(fù)合作用下對環(huán)境的影響研究。

4 土壤微塑料的生態(tài)效應(yīng)

4.1 對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤是土壤生物賴以生存的基本環(huán)境，粒徑較小的微塑料易進入土壤環(huán)境，改變土壤的理化性質(zhì)，進而影響整個土壤生態(tài)系統(tǒng)。DE SOUZA MACHADO等[87]將四種微塑料(PP纖維、PA微球、聚酯纖維和PE碎片)摻入沙土中，得到不同濃度微塑料(質(zhì)量分數(shù)最高2%)的土壤樣品，并于自然環(huán)境下暴露5 w。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微塑料可以影響土壤的容重、持水能力和水穩(wěn)定團聚體，且不同類型的微塑料對土壤理化性質(zhì)有著不同的影響，例如在受聚酯纖維微塑料污染的土壤中，土壤容重和水穩(wěn)定團聚體會隨聚酯纖維濃度增加顯著降低。也有類似的研究結(jié)果表明，聚酯微纖維微塑料會導(dǎo)致土壤中小于30 mm孔隙減少，大于30 mm孔隙增加，這可能會加速土壤開裂，從而加速土壤的水分和養(yǎng)分流失[88]。還有研究表明，土壤微塑料會對土壤中的養(yǎng)分循環(huán)、水分蒸發(fā)速率[89]和DOM含量[90]等產(chǎn)生影響。

4.2 對土壤動物的影響

微塑料粒徑與土壤動物的食物粒徑相似，易被土壤動物攝取。進入生物體的微塑料不能被消化吸收，從而減少動物對食物的攝入量，影響生物生長發(fā)育，甚至導(dǎo)致生物死亡[91-93]。蚯蚓在土壤中數(shù)量眾多，對土壤結(jié)構(gòu)、水分、養(yǎng)分有改良作用。因此，現(xiàn)有微塑料對土壤動物的研究中，蚯蚓是一個被選取較多的研究對象。微塑料可以對蚯蚓皮膚表面和腸道組織造成損傷，引發(fā)蚯蚓的氧化應(yīng)激、免疫反應(yīng)和刺激神經(jīng)毒性反應(yīng)[94-96]。HODSON等[84]的研究表明，微塑料上Zn在蚯蚓腸道中的解吸率(40%～60%)遠遠高于土壤中(2%～15%)，提高了Zn的生物利用度，增加了重金屬的生物毒性風(fēng)險。除了蚯蚓外，還有學(xué)者研究了微塑料纖維對非洲大蝸牛的影響[97]。結(jié)果表明，將蝸牛暴露于微塑料纖維濃度為0.14～0.71 gkg-1的土壤中，蝸牛食量平均減少24.7～34.9%、排泄量平均減少46.6～69.7%，且40 %蝸牛的胃腸壁絨毛出現(xiàn)損傷。土壤動物種類繁多，對土壤生態(tài)系統(tǒng)有十分重要的作用。微塑料對土壤動物影響的研究十分有限，需要更多學(xué)者關(guān)注并開展相關(guān)研究。

4.3 對土壤植物的影響

微塑料可以影響根際微生物、改變土壤理化性質(zhì)，直接或間接影響植物的生長[98]。但不同的微塑料對植物的影響方式有差異，PLA微塑料和微纖維可以抑制種子發(fā)芽，PLA會使黑麥草的地上部分高度降低，而HDPE則會導(dǎo)致土壤pH降低，使黑麥草的生物量顯著下降[96]。也有研究表明，微塑料可以對大蔥的根系性狀、生物量、組織的元素組成和土壤微生物活性產(chǎn)生顯著的影響[99]。QI等[100]通過向土壤中加入1% 的LDPE地膜微塑料和淀粉基可生物降解塑料發(fā)現(xiàn)，生物可降解塑料比LDPE微塑料對小麥具有更強的負面影響。微塑料長期存在于環(huán)境中，還很有可能會形成更小粒徑的納米塑料。納米塑料可以進入植物細胞，阻礙養(yǎng)分運輸，影響植物生長。JIANG等[101]通過激光共聚焦掃描顯微鏡觀察到，100 nm的PS微塑料可在蠶豆根中積累，并極有可能堵塞運輸養(yǎng)分的細胞壁孔隙。目前，還有研究證實納米塑料可以直接進入植物體內(nèi)，李連禎等[102]基于室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，微塑料可以于生菜根部富集并從根部向上遷移。目前關(guān)于微塑料影響植物的研究相對較少，微塑料對植物的具體影響機制還不明確，需要付諸更多努力。

4.4 對土壤微生物的影響

海水中微塑料表面微生物群落的研究表明，微塑料表面與周圍海水中微生物群落結(jié)構(gòu)差異明顯[103]。因此，土壤微塑料也很可能是一些微生物新的“棲息地”。目前，關(guān)于土壤微塑料對微生物影響的研究內(nèi)容，主要是對微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤酶活性的影響。HUANG等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，微塑料顯著促進了土壤過氧化氫酶和脲酶的活性，改變了土壤細菌群落組成。也有研究表明，微塑料可能會加速土壤微生物群落的演替速度，改變土壤細菌的群落結(jié)構(gòu)[104]。土壤中的微塑料還可以吸附土壤中殘留的抗生素，這可能會使土壤微生物對抗生素有更強的耐藥性，促進抗生素抗性基因(ARGs)在土壤中的傳播[105]。LU等[106]以種植3年和10年蔬菜的土壤為研究對象，分析土壤微塑料對抗生素、重金屬和ARGs的吸附情況。發(fā)現(xiàn)長期種植蔬菜土壤中的微塑料可以吸附更多的抗生素和重金屬，使微塑料表面的ARGs的豐度和數(shù)量均有所提高。土壤微塑料還會抑制土壤中ARGs的降解，攜帶ARGs向土壤深層遷移，促進土壤中ARGs的傳播[107-108]。相比于微塑料自身，微塑料以及其表面吸附污染物的復(fù)合作用可能對土壤微生物有更大影響，需要更多關(guān)注和研究。

5 展望

微塑料作為一種新型環(huán)境污染物，已經(jīng)成為了一個研究熱點。但相比于水生環(huán)境微塑料研究，土壤環(huán)境中的微塑料環(huán)境影響研究還相對缺乏。關(guān)于土壤微塑料的研究，目前主要集中于土壤微塑料現(xiàn)狀調(diào)查、對土壤理化性質(zhì)的影響、對環(huán)境污染物的吸附效應(yīng)等。而微塑料對土壤生物的影響研究，主要是實驗室培養(yǎng)為主。近年來，土壤微塑料的相關(guān)研究日益增長，但受制于土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)地復(fù)雜，土壤微塑料分離難度較大等原因，土壤微塑料研究發(fā)展還較為緩慢，需要大量的研究數(shù)據(jù)支撐來形成完整的知識結(jié)構(gòu)。在未來的研究中，可以從以下幾個方面進一步完善：

1)進一步加強對土壤微塑料污染現(xiàn)狀的調(diào)查研究。目前全球尺度下還有很多地區(qū)土壤微塑料污染狀況不明，需要了解全球尺度下不同地區(qū)土壤微塑料污染程度以及不同土壤類型和土地利用類型對微塑料污染的影響。此外，還需土壤微塑料的各個來源的輸入情況進行量化，為微塑料污染治理提供依據(jù)。

2)完善土壤中微塑料的分析方法。目前對于土壤中微塑料的分離、檢測和定量方法都存在一定的不足之處，不同的方法得到的實驗結(jié)果差異很大，因此亟需對土壤中微塑料的分離、檢測和定量方法開展進一步研究，開發(fā)出一套操作可行、結(jié)果可信的規(guī)范化方法對世界各地區(qū)土壤微塑料污染狀況進行統(tǒng)一的量化研究。

3)開展微塑料與環(huán)境污染物的復(fù)合作用研究。目前現(xiàn)有的研究已經(jīng)注意到了微塑料可以吸附各類有毒污染物質(zhì)，但微塑料上吸附的多種污染物質(zhì)相互作用和產(chǎn)生的復(fù)合污染卻少有研究，需要對微塑料上吸附的各種有毒污染物間的相互作用以及微塑料和污染物聯(lián)合毒性效應(yīng)開展深入研究。

4)深入了解土壤微塑料的生態(tài)效應(yīng)機制。微塑料的成分、粒徑、形狀等的差異都有可能對土壤生物產(chǎn)生不同的影響，在未來的研究中應(yīng)該細化微塑料的各類性質(zhì)對土壤生物的具體影響，開展毒性試驗精確評估微塑料誘導(dǎo)的生態(tài)毒性，以便進一步開展土壤微塑料生態(tài)風(fēng)險評估。