金 燦，王 毅，代知廣，黃俊偉

（1.武漢智匯元環(huán)保科技有限公司，湖北 武漢 430079；2.三川德青科技有限公司，湖北 武漢 430075；3.武漢格?；ōh(huán)境科技有限公司，湖北 武漢 430062）

0 引言

微塑料通常是指粒徑＜5 mm 的塑料碎片或微粒，包括生產(chǎn)過程直接制成的微米級初生微塑料（如防曬霜、洗面奶、指甲油及牙膏等個人護理用品中的塑料微珠）和大塊塑料在長期紫外線照射、風化、物理磨損、生物作用等外界作用下老化產(chǎn)生的次生微塑料[1]。城市建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活均對微塑料的最終產(chǎn)生有重要貢獻。工業(yè)合成材料的打磨，農(nóng)業(yè)地膜降解，汽車輪胎磨損，生活中使用的氣球、塑料瓶、塑料涂料、香煙濾嘴、棉簽、零食包裝袋及洗衣廢水等均是次級微塑料的重要來源。時代的發(fā)展使得塑料產(chǎn)品無處不在，微塑料也因此遍布全球，在海洋、淡水、土壤及大氣環(huán)境中均檢測到大量的微塑料，甚至在地球兩極也檢測到微塑料的存在。目前對微塑料的研究主要集中于海洋領(lǐng)域，土壤中微塑料污染問題相對受到忽視[2]。然而每年進入土壤環(huán)境中的微塑料含量比海洋環(huán)境高4～23 倍。土壤中微塑料具有粒徑小、比表面積大、數(shù)量多、不溶、易遷移、難以降解（高達數(shù)百年至數(shù)千年）、分布廣等特性[3－4]，對土壤環(huán)境產(chǎn)生長期的生態(tài)危害，甚至可通過食物鏈威脅人類健康，因此必須引起關(guān)注。

1 土壤中微塑料的豐度及其來源

土壤中微塑料的豐度主要受人類活動影響，人類活動產(chǎn)生的微塑料可通過大氣沉降、地表徑流和地表灌溉、市政污泥與有機肥施用及農(nóng)業(yè)地膜殘留等多種方式進入土壤[5]，從而提高了土壤中微塑料的含量。土壤中微塑料來源按其產(chǎn)生的位置不同可分為原位輸入型與外源輸入型[3]。不同地區(qū)土壤中微塑料的含量具有較大的差異，詳見表1。。

表1 不同地區(qū)土壤微塑料的含量

1.1 原位輸入型

原位輸入型微塑料主要指在土壤中的農(nóng)用地膜等塑料殘余物在風化、破碎后形成的細小碎片化塑料顆粒，為次生微塑料。中國是農(nóng)用地膜使用（使用量＞145 萬t/a）大國，使用量高（占全球90%）而回收率低（＜60%），使得原位輸入型微塑料成為農(nóng)業(yè)土壤微塑料的一個重要來源。

1.2 外源輸入型

人類活動產(chǎn)生的微塑料由大氣沉降、地表徑流和地表灌溉、市政污泥及有機肥施用等外界方式進入并滯留于土壤中，即形成所謂的外源輸入型微塑料。外源輸入型微塑料包括初生微塑料和次生微塑料。微塑料大氣沉降的方式包括干沉降（如降塵等）和濕沉降（如雨、雪等），大氣沉降也是土壤微塑料的一個不可忽視來源，DRIS R 等[14]估計大氣沉降對巴黎城區(qū)的人造纖維微塑料貢獻量＞3 t/a。地表水攜帶的微塑料通過徑流、灌溉等方式進入土壤環(huán)境，也是土壤微塑料的一個重要來源。國內(nèi)外地表水中均檢測出較高含量的微塑料見表2。近些年來，市政污泥農(nóng)業(yè)土地利用是一種受到鼓勵的污泥資源化處置方式。但目前對污泥中微塑料的含量缺乏指標要求，而常規(guī)的污泥處理方法對微塑料也難以實現(xiàn)有效去除，最終導致大量污泥微塑料（約占污水中的90%）轉(zhuǎn)移至土壤中。據(jù)報道，污泥農(nóng)用在歐洲、北美地區(qū)對土壤微塑料的貢獻率分別為4.4～30 萬t/a，6.3～43 萬t/a[15]。污泥堆肥作為土地利用的一種重要形式，也對土壤微塑料含量具有不可忽視的貢獻，污泥堆肥在歐盟國家對土壤微塑料的貢獻率約達40 萬t/a[10]。有機肥也是近些年受到提倡的一種農(nóng)業(yè)施用肥料，目前對有機肥中粒徑≤0.5 mm 的微塑料含量鮮有報道，但有機肥中粒徑＞0.5 mm 的塑料碎片質(zhì)量分數(shù)甚至高達1 200 mg/kg[16]。此外，鳥類等遷徙動物在攝入微塑料后也可引起土壤微塑料的長距離運輸和轉(zhuǎn)移。

表2 不同地區(qū)地表水微塑料的含量

2 土壤微塑料的危害

2.1 污染土壤

微塑料通過自身攜帶污染物或吸附污染物的方式導致土壤被污染，從而對土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。一些微塑料自身添加或含有鄰苯二甲酸鹽、多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）、雙酚-A 與著色用的重金屬等有害污染物，這些污染物在受到含氧量、溫度、紫外線（UV）輻射、pH 值及可溶性有機質(zhì)等條件變化的影響，會向環(huán)境中釋放，并在淋溶作用下進至土壤中，另外某些微塑料在自身降解過程中也會向土壤釋放有害物質(zhì)，這些污染物和有害物質(zhì)最終會抑制土壤微生物的活性、影響土壤物質(zhì)循環(huán)并威脅土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡。

土壤中的微塑料能通過物理吸附和化學吸附的方式吸附有機污染物，并可能進一步聚集成有機污染球體。物理吸附主要是由于微塑料的比表面積較大，范德華力的作用使土壤微塑料表面可以直接吸附或通過高分子聚合物孔隙填充的方式吸附有機污染物；化學吸附則主要是由于微塑料與有機污染物2者具有相似的疏水性，因此存在分配平衡。HVFFER T 等[20]通過研究聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）等微塑料對芳香族與脂肪族有機物的吸附作用發(fā)現(xiàn)，表面吸附是PS，PVC 及PA對有機污染物的主要吸附方式，而分配平衡是PE對有機污染物的主要吸附方式，且有機污染物的疏水性是影響微塑料吸附作用的主導因素。實際上，微塑料可以吸附PBDEs、多氯聯(lián)苯（PCBs）、多環(huán)芳烴（PAHs）、有機氯殺蟲劑等多種疏水性有機污染物（HOCs）。

土壤微塑料可通過直接吸附、Fe-Mn 氧化物吸附或形成共沉淀、絡(luò)合作用等方式吸附重金屬。HODSON M E 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，高密度聚乙烯（HDPE）在有機質(zhì)含量更加豐富的農(nóng)林用地土壤中對Zn2+具有更強的吸附作用。微塑料的老化會增強其對重金屬的固定作用，NICOLE B 等[22]通過2 000 h 的人工柱滲濾老化（熱氧化和光氧化）實驗，發(fā)現(xiàn)PS，PVC及HDPE 等微塑料的老化可明顯增強其對Zn，Cu等重金屬的吸附能力，同時還降低了其對重金屬的解吸與釋放效果。此外，微塑料外表面在被吸附土壤環(huán)境中的官能團包裹后，其吸附重金屬的能力也會受到影響，KIM D 等[23]通過被土壤官能團包裹的PS吸附重金屬Ni 的研究發(fā)現(xiàn)，土壤官能團可以通過改變PS 與重金屬表面的疏水性而影響前者對后者的吸附能力。

微塑料還能通過吸附點位吸附土壤環(huán)境中的微生物，并進一步導致生物膜的形成，因此土壤微塑料極可能成為潛在致病菌和外來有害入侵物種的載體，這些微生物會隨著土壤微塑料的遷移而擴散，然后改變其他生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)和功能，最終破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)。

2.2 危害土壤生物

微塑料對土壤動植物、微生物均能產(chǎn)生較大的危害作用。一方面，微塑料會影響土壤動物的攝食，如凋落物在混雜微塑料中可影響蚯蚓對其的適口性[24]。另一方面，土壤動物在攝食微塑料后會對其自身造成損害，并可使微塑料沿食物鏈進一步傳遞和積累，ZHU B K 等[25]研究表明低濃度納米塑料急性飲食可提升蠕蟲（Enchytraeus crypticus）的腸道微生物多樣性并提高其繁殖率，而伴隨納米塑料的暴露濃度升高，其腸道微生物多樣性及繁殖率均呈下降趨勢；ZHU D 等[26]則發(fā)現(xiàn)干土質(zhì)量分數(shù)為1 g/kg 的PVC 顆粒（80～250 μm）暴露28 d 能夠明顯影響跳蟲（Folsomia candida）的腸道菌群，并降低該跳蟲的成長率及繁殖率；低濃度的微塑料對蚯蚓的影響一般較小，但高濃度微塑料就會對蚯蚓的生長產(chǎn)生危害，質(zhì)量分數(shù)為28% 及45% 的PE（＜150 μm）即對蚯蚓（Lumbricus terrestris L.）的生長產(chǎn)生不利影響，質(zhì)量分數(shù)為60%的PE（＜150 μm）則會使其生長率降低為負值且死亡率達到最高值[27-28]，而當PE（250～1 000 μm）質(zhì)量分數(shù)＞125 mg/kg 時則會損傷陸生蚯蚓（E.Andrei）的組織[29]；當PS（58 μm）質(zhì)量分數(shù)＜0.5%時對蚯蚓（E.Foetida）的豐度影響不大，當其質(zhì)量分數(shù)達到1%與2%時則對蚯蚓的生長產(chǎn)生明顯抑制[30]；攝食及表面附著微塑料的蚯蚓在其自身活動過程中會隨著排泄及其遺體殘骸進一步擴散至其他區(qū)域及深層土壤環(huán)境中，使微塑料的危害也擴大化。此外，土壤微塑料還可能對土壤孔隙形成封堵并由此干擾土壤中的中型動物的生命活動。

土壤微塑料可通過影響土壤物質(zhì)循環(huán)間接影響植物的生長，而粒徑較小的微塑料在被植物吸收后則可直接影響植物的生長，李連禎等[31]研究發(fā)現(xiàn)生菜可以吸收PS（200 nm）并由其根部運輸至莖葉。劉鎣鎣等[32]則發(fā)現(xiàn)高濃度的PE（0.023～0.038 mm）可以明顯降低綠豆幼苗根和芽的長度、含水率及幼苗重量（包括鮮重和干重）。連加攀等[33]也發(fā)現(xiàn)微塑料可以抑制小麥種子的發(fā)芽（抑制率在2.86%～20%）。廖苑辰等[34]研究還發(fā)現(xiàn)PS（5 μm）可損害小麥葉片的光合作用系統(tǒng)，降低淀粉酶活性和抑制蛋白質(zhì)的合成，并認為PS 暴露可能還對小麥存在氧化應(yīng)激毒害。此外，陳熹等[35]發(fā)現(xiàn)土壤中積累的微塑料還會影響小麥體內(nèi)可溶性蛋白的合成，使得小麥對N 的利用率下降，最終造成小麥的籽粒不夠飽滿。植物作為初級生產(chǎn)者，在吸收微塑料后通過消費者在食物鏈的傳遞可產(chǎn)生進一步的積累和危害，而生菜、綠豆、小麥等農(nóng)作物則能直接對人類健康產(chǎn)生較大的食用風險。

微塑料通過自身分解產(chǎn)生有害物質(zhì)、吸附病原菌及攜帶有毒污染物到土壤環(huán)境后，可能對土壤微生物的酶活性及土壤呼吸強度都會產(chǎn)生影響，由此影響土壤微生物的新城代謝功能和生物活性，最終對其數(shù)量、多樣性及群落結(jié)構(gòu)構(gòu)成嚴重威脅[5]。此外，PS 還能在靜電作用下吸附于硝化細菌及藻類等的表面，對空氣流動與光照形成阻礙，從而抑制其呼吸作用和光合作用[36]。

2.3 影響地下水

土壤中的微塑料可在土壤-地下水間發(fā)生垂直遷移，從而造成地下水的微塑料污染。研究表明，隨著pH 值升高、溶解性有機質(zhì)（DOM）增加、孔隙水流速增大、植物根系發(fā)育以及土壤動物（如蚯蚓、跳蟲、螨蟲等）[4]運動與攝食行為的加劇，微塑料在土壤—地下水間的遷移能力隨之增強；而隨著離子強度增大、高價陽離子（Ca2+，Mg2+，Al3+等）含量增加、Fe/Al氧化物含量升高、介質(zhì)粒徑減小、介質(zhì)粗糙度變大及飽和度變小等因素的變化，微塑料在土壤-地下水間的遷移能力也隨之降低[3]。一方面，微塑料在進入地下水后直接影響了人們的飲水安全；另一方面，地下水中的微塑料可被動物攝取，分解成足夠小的微塑料還能被植物吸收，最終通過食物鏈的傳播對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴重威脅。

3 土壤微塑料的防治措施

3.1 塑料垃圾回收

塑料垃圾是土壤微塑料的重要來源，處置不合理將導致土壤中塑料含量的增加。目前塑料垃圾主要采取集中填埋的處置方式，不僅降解慢、降解率低，還容易形成微塑料和釋放有害物質(zhì)并進入土壤和水體（包括地下水）。為避免這些不合理處置導致的土壤微塑料積累問題，發(fā)展塑料垃圾的回收技術(shù)，通過循環(huán)經(jīng)濟的思路實現(xiàn)對塑料的回收再利用，同時減少塑料產(chǎn)品和塑料垃圾的產(chǎn)量，是未來土壤微塑料防治的一種必要方法和手段。實際上，歐盟2018年的限塑方案已提出要在2030年前實現(xiàn)對所有塑料包裝的回收，且停止咖啡杯等一次性塑料的使用；聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和英國Ellen MacArthur Foundation 基金會也倡導塑料包裝由一次性使用至可重復(fù)使用的轉(zhuǎn)變。

3.2 源頭控制

在源頭上消除或減少微塑料的產(chǎn)生是控制土壤微塑料污染最行之有效的方法。一方面，源頭控制可通過原材料替代、避免進一步形成微塑料及源頭截留等方式實現(xiàn)，其中原材料替代包括非塑料材料替代（如紡織工業(yè)的施膠劑采用改良大豆蛋白替代聚丙烯醇（PVA））和可降解材料替代（如工業(yè)化聚乳酸（PLA）用于制作包裝材料、微珠、非織造物及纖維等，水溶性PVA 薄膜用作包裝材料）；避免進一步形成微塑料是指在大塑料（相對微塑料更容易處理）發(fā)展形成微塑料之前就將其降解，如將大塑料集中催化降解、熱降解、生物降解等；源頭截留可利用污水處理廠等實現(xiàn)（如通過溶氣浮選、分濾、膜生物反應(yīng)器（MBR）及快速砂濾等方式可截留95%以上的微塑料）。另一方面，實施源頭控制要通過立法實現(xiàn)，確立各級政府部門在塑料的生產(chǎn)、經(jīng)營、使用、處理處置方面的責任，并建立企業(yè)或個人在以上各環(huán)節(jié)違法的懲罰細則，根據(jù)誰污染誰付費的原則確定稅收政策。實際上，很多歐美發(fā)達國家都已制定實施微塑料源頭控制的法律法規(guī)，如美國的“2015年無微珠水域法案”、加拿大的《化妝品塑料微珠管理辦法》（2017年）、肯尼亞 “禁塑令”（2017年）等。此外，為配合立法還應(yīng)當加快建設(shè)相應(yīng)標準體系，如對個人護理用品中的塑料微粒進行限制等。

3.3 污染治理

目前對土壤中微塑料污染治理的研究主要集中在微生物處理方面。有研究表明[37-38]，臘蟲的腸道菌可降解PE，而粉蟲的腸道可分離得到降解PS 的微桿菌，并可在12～24 h 內(nèi)將PS 完全礦化。YOSHIDA S 等[39]研究發(fā)現(xiàn)Ideonella sakaiensis 201-F6 細菌可在30 ℃下6 周內(nèi)將聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）完全降解。中科院昆明植物研究所[40]也發(fā)現(xiàn)了塔賓曲霉菌，在該真菌的作用下2 周內(nèi)即表現(xiàn)出對聚氨酯（PU）的降解效果，2 個月內(nèi)對培養(yǎng)基上的PU 聚合物基本降解完全。除微生物處理外，土壤微塑料還可通過酶來實現(xiàn)快速和高效降解，如使用漆酶降解微塑料。此外，通過紫外線預(yù)氧化對微塑料進行結(jié)構(gòu)修飾也可提高其在土壤中的降解率，而電化學氧化、化學氧化及光催化氧化等一些高級氧化技術(shù)也可實現(xiàn)對微塑料的降解。

4 問題與展望

近幾年，在土壤微塑料領(lǐng)域的研究已取得一定進展，但對許多方面的研究仍顯不足，例如：①在土壤微塑料樣品的采集、分離與檢測方面，目前尚無統(tǒng)一方法，在污水、污泥及農(nóng)作物產(chǎn)品等方面也缺乏相應(yīng)的微塑料含量限值和污染評估標準，因此研究結(jié)果缺乏可對比性；②對土壤微塑料來源分析及其沿食物鏈傳遞的認識不夠深入；③對微塑料與污染物、不同微塑料間在復(fù)雜土壤環(huán)境的復(fù)合效應(yīng)不明確。

針對以上問題，未來需在以下方面加強研究：①加強土壤微塑料標準體系的建設(shè)，不但要健全從采樣、分離到檢測方面的標準，還要完善污水、污泥及有機肥等土壤微塑料來源和農(nóng)作物產(chǎn)品等土壤微塑料去向的限值與污染評估標準；②進一步加深對土壤微塑料來源及其沿食物鏈傳遞的研究，如采用同位素示蹤法、建立污染源模型等；③利用生物標記法等加強對微塑料與污染物、不同微塑料間在復(fù)雜土壤環(huán)境的復(fù)合效應(yīng)研究，促使理論逐漸能夠指導土壤微塑料的防治。

5 結(jié)論

受人類活動影響，微塑料這類新興污染物已遍布全世界范圍內(nèi)的各個角落。微塑料可通過原位輸入或外源輸入的方式進入土壤，并以自身攜帶污染物或吸附污染物的方式導致土壤被污染。同時，進入土壤中的微塑料通過生物攝食、影響土壤物質(zhì)循環(huán)、自身分解產(chǎn)生有害物質(zhì)、吸附病原菌及攜帶有毒污染物等多種方式對土壤生物產(chǎn)生危害。此外，土壤中的微塑料還能在土壤-地下水間發(fā)生垂直遷移，從而造成地下水的微塑料污染，并可能通過食物鏈的傳播對生態(tài)系統(tǒng)和人類生命健康構(gòu)成嚴重威脅。進行塑料垃圾回收、源頭消除和減少微塑料的產(chǎn)生是控制土壤微塑料污染比較行之有效的方法，而對于已被微塑料污染的土壤，目前其治理研究主要集中在微生物處理方面。