土壤环境中微塑料污染及迁移转化规律研究进展

土壤环境中微塑料污染及迁移转化规律研究进展

陈满英 1 , 喻乔 2 , 张太平 2,*

1. 广东产品质量监督检验研究院, 广州 510330 2. 华南理工大学环境与能源学院, 广州 510006

来源：《生态科学》  2021年第4期 

【摘要】  作为一种新兴的污染物, 微塑料在水和土壤生态系统中 普遍存在, 并成为了近年来环境污染研究的热点之一。目前研究主要集中在海洋和淡水生态系统中微塑料的检测、赋存、表征和毒理学等方面, 但与水生态系统相比, 对土壤生态系统中微塑料的生态效应的了解还很有限。为此, 论文综述了土壤环境中微塑料的来源、丰度及分布特征、微塑料对土壤结构和生物的负面影响、微塑料的迁移机制以及食物链中的营养转移等方面的研究进展, 以揭示土壤环境中微塑料造成的潜在生态和人类健康风险, 最后提出未来微塑料污染及其土壤生态毒性的研究方向。

关键词： 土壤, 微塑料, 污染, 迁移转化, 生态毒理

0 前言

作为一种化学稳定性高、可塑性强的合成高分子材料, 塑料被广泛应用于建筑、纺织、包装、医药、农业生产、电子制造等行业  [1] 。据统计, 2017年全球塑料产量达到了3.48亿吨, 塑料的高消耗同时也伴随着大量的塑料垃圾进入环境中, 然而只有小部分(6%—26%)的塑料废物被回收 [2] 。有学者推论, 如果延续当前各国的生产和废物管理制度而不做有效限制措施, 2050年大约会有120亿吨的塑料垃圾将积累在垃圾填埋场或自然环境中 [3] 。进入环境中的塑料的尺寸大小不同, 塑料在环境中降解缓慢, 会在机械、生物降解、光降解等作用下分解成较小的碎片。通常, 粒径< 5 mm 的小尺寸碎片称为微塑料 [4]  , 但近年来也有学者提出将粒径1—1000 μm的塑料定义为微塑料 [5] 。

越来越多的证据表明海洋 [6, 7] 、湖泊 [8] 、河流 [9] 、土壤 [10] 、大气 [11] 、高山冰川 [12] 甚至南极 [13] 、北极水域 [14] 均存在微塑料污染。有研究表明, 微塑料可能对整个生态系统构成威胁 [15-17] 。比如, 微塑料被认为是各种化学物质的载体, 如疏水性有机污染物、药物及个人护理产品 [18-20] 。由于其大小类似于藻类或矿物颗粒, 微塑料很容易被不同营养水平的生物摄取, 并沿着食物网积累 [21-24] 。一旦微塑料在生物体中积累, 就有可能引起许多毒理反应, 包括致死、摄食活性降低、生长发育受到抑制、内分泌紊乱、能量代谢紊乱、氧化应激、免疫和神经传递功能障碍等, 甚至遗传毒性 [25] 。Kieran 等人的一项研究指出, 每人每年可摄入39000—52000个微塑料颗粒 [26] 。因此, 微塑料污染日益受到重视, 成为生态环境科学领域研究的热点。

由于检测方法的局限性, 当前对微塑料的研究主要集中在海洋、湖泊河流等水生生态系统领域。与海洋相比, 陆地环境是微塑料更重要的“汇”。据估计, 每年释放到陆地上的塑料是释放到海洋中的4—23倍 [27] 。最近的一些研究表明, 土壤生物(如蚯蚓、跳虫等)摄入微塑料颗粒会对其生命健康造成一定的影响 [23, 28] 。尽管微塑料对土壤环境潜在影响机制存在很大的不确定性, 但初步的研究数据证实, 土壤中微塑料的存在可能会影响土壤性质、植物性状和微生物活动 [17, 29, 30] 。然而, 关于微塑料对土壤生态系统影响的研究仍然十分有限。为了更好地开展土壤微塑料污染研究, 有必要了解当前的研究现状, 以指导今后对这一问题的研究。本文旨在整理目前有关微塑料在土壤环境中的存在、来源、迁移和生态毒理效应等方面的研究成果, 在这些研究的基础上, 指出了目前研究的不足, 并对未来的研究提出了几点看法。

1 土壤环境中微塑料的污染特征

1.1 来源

土壤环境中微塑料主要来源于农业生产活动中地膜的大规模应用、城市污水厂污泥及固废堆肥的使用、塑料垃圾丢弃、大气沉降、雨水径流及灌溉等途径。

据中国统计局数据, 2018年中国农业塑料薄膜年用量达246.5万吨, 对比1999年, 使用量增加了95.8%。大规模塑料薄膜的使用以及废物管理不善, 导致塑料残存于土壤环境中。Zhou等人的研究表明覆盖地膜的土壤微塑料丰度显著高于不覆盖土壤 [31] , 此外Huang等人证实覆盖地膜年份较多的土壤的微塑料丰度也高于覆盖年份较低的土壤, 傅里叶变换红外光谱分析表明微塑料的成分与地膜一致, 说明微塑料颗粒来源于地膜 [32] , 这些发现证实了地膜覆盖是土壤环境中微塑料污染的重要来源。

生活污水普遍被认为是微塑料进入环境中的一个重要来源, 一项研究证实二级和三级污水处理设施的污水排放对海洋和地表水环境中的微塑料负荷的贡献可能微乎其微, 大部分微塑料会通过气浮和污泥沉降从水体中去除 [33] , 这就意味着污水污泥中可能含有大量微塑料。事实上, Li等人通过对中国11个省28个污水处理厂79个污泥样品的分析发现, 污泥中微塑料丰度可达1.60×10 3 —56.4×10 3 个·kg -1 [34] , 所以污水污泥直接或间接地应用于农业, 可以将大量的微塑料引入农田土壤。Berg等人对西班牙东部城市瓦伦西亚附近农田土壤的研究表明, 没有施用污泥的田地微塑料平均有2030个·kg -1 , 污泥施用的土壤微塑料平均有5190个·kg -1 , 随着污水污泥施用量的增加, 土壤中的微塑料丰度也逐渐增加 [35] 。Corradini等人的研究也证实了污泥施用对土壤微塑料丰度的贡献, 随着时间推移, 土壤微塑料丰度会进一步增加 [136] 。最近的一项研究发现, 土壤中微塑料的丰度与污泥基肥的施用量密切相关。施用污泥堆肥30 t·hm -2 和15 t·hm -2 后, 土壤微塑料丰度分别为545.9个·kg -1 和87.6个·kg -1 , 显著高于未施用堆肥的区域 (5.0个·kg -1 ) [37] 。同样, 也有研究表明固废堆肥应用也是土壤中微塑料的来源之一 [38] , 不同来源固废(基质不同)发酵或堆肥的产品中所含的微塑料丰度不同。

塑料垃圾的丢弃是微塑料的直接或间接来源。Kawecki等人利用概率物质流分析对从7种塑料生产和使用到报废的流程进行完整分析, 建模结果揭示塑料进入环境的主要途径是垃圾丢弃, 建筑、农业以及消费活动过程垃圾的丢弃导致微塑料排放到土壤中, 进入土壤的塑料质量通量是进入水体的40倍 [39] 。Scheurer等人对瑞士自然保护区的29个泛洪区土壤展开研究, 发现90%的地区土壤含有微塑料, 微塑料丰度与大块塑料(5 mm—2.5 cm)密切相关, 表明塑料垃圾是土壤微塑料的来源之一 [10] 。

大气沉降是土壤微塑料的来源之一。Dris等人发现巴黎大气降尘微塑料丰度为2—355个·m -3 ·d -1  [40] , Li等人的研究表明微纤维塑料在距地面1.5 m处的浓度约为16.7×10 -3 个·mL -1 , 在距地面约18 m处的浓度约为14.1×10 -3 个·mL -1 , 同时说明这些微塑料主要来源于地表, 并被重新悬浮 [11] 。另一项研究表明, 陆地微塑料也可以通过大气环流输送到偏远地区, 然后受到大气干湿沉降的影响 [41] 。这些研究都表明了大气中微塑料源自陆地而又迁移至陆地环境的可能性。此外与车辆运输相关的塑料排放, 包括轮胎磨损、刹车、道路标记等 [42] , 是环境中微塑料的另一个主要来源, 可通过雨水径流、大气降尘进入土壤中。

雨水径流是陆地向水体环境输入微塑料的重要途径 [43, 44] , 在流经土壤过程中也会对土壤微塑料丰度产生影响。当灌溉用水中含有微塑料, 灌溉也是土壤中微塑料的来源。有研究证实了灌溉用水存在微塑料, 平均丰度为3.9—17个·L -1 [31] 。此外, 必须重视垃圾填埋厂对土壤微塑料的贡献, 垃圾填埋场中微塑料的产生、积累和释放是一个长期的过程, 是土壤微塑料的潜在来源, 一些研究表明垃圾渗滤液中含有大量微塑料颗粒 [45, 46] 。

1.2 土壤环境中微塑料富集及分布特征

虽然关于土壤中微塑料赋存和分布的现场监测项目尚未广泛开展, 但现有的数据表明土壤中存在微塑料污染。微塑料存在于不同类型土壤中, 如泛洪平原 [10] 、农田 [31] 、种植园 [37] 、菜地 [47] 、沿海土壤 [48] 、红树林土壤 [49] 、风蚀区 [50] 等。如表1所示, 现有农田土壤微塑料的研究区域主要分布在中国。在农田土壤, 微塑料聚合物的主要类型是聚乙烯、聚丙烯, 这与农业所用地膜相关, 且不同地区微塑料土壤丰度不同。如Sarah等人的研究, 农田微塑料塑料丰度为(0.34±0.36)个·kg -1 [51] , 而中国新疆农田高达(1075.6±346.8)个·kg -1 [32] , 这明显差异的主要原因是Sarah等人所研究的农田未使用有机肥和农用塑料薄膜, 且检测选择的粒径是2—5 mm, 而众多研究中大部分微塑料粒径小于0.50 mm, 如Ding等人研究中粒径为0—0.49 mm的微塑料占了81% [52] 。在Liu等人研究中, 表层微塑料丰度高于深层微塑料丰度, 粒径较大的微塑料更容易出现在表层 [53] 。表层土壤有可能比深层土壤含有更高或更低浓度的微塑料, 这主要取决于塑料渗透到深层土壤或由于地表径流而迁移的难易程度。农田土壤微塑料提取及检测方法主要为密度浮选、氧化消化、体视镜及傅里叶变换红外光谱检测, 不同研究具体所采用的浮选溶液、检测方法有差异, 其中低密度的浮选溶液(如饱和NaCl溶液、蒸馏水)无法悬浮PVC、PET等密度较大的微塑料, 进而会低估微塑料丰度。因此, 微塑料提取及检测方法的不同, 会导致微塑料丰度的差异 [54] 。施用污泥用量或次数越多, 覆地膜年份越长的农田, 微塑料丰度越高, 这表明微塑料会通过农业活动积累在农田土壤中。

表1 不同地区农田土壤中微塑料分布特征

Table 1 Distribution characteristics of microplastics in farmland soils

注: ——表示无数据; μ-FTIR. 显微傅里叶变换红外光谱; ATR-FTIR. 傅里叶变换衰减全反射红外光谱, PP. 聚丙烯; PE. 聚乙烯; PS. 聚苯乙烯; PVC. 聚氯乙烯。

其他类型的土壤, 如红树林土壤的微塑料丰度为(31—28630个·kg -1 , 越靠近居民点微塑料丰度越高 [49] 。武汉菜地的微塑料丰度在(320—12560)个·kg -1 之间, 郊区道路附近的微塑料污染是居民区的1.8倍, 粒径小于0.2 mm的微塑料占总数的70%, 微塑料的主要形状是纤维和微珠 [47] 。土壤微塑料研究中发现的微塑料种类主要包括PE、PP、PVC、PS、PET(聚对苯二甲酸)等, 主要与食品包装、地膜等塑料使用相关。总体而言, 土壤环境微塑料污染与人类活动密切相关, 在人类活动愈频繁的地区丰度越高。由于塑料本身具有较好的化学稳定性, 很难降解, 在污泥施用、地膜规模使用的农业地区微塑料呈现逐年积累性。另外由于土壤结构及微塑料本身形状大小的影响, 较大的微塑料往往被截留在土壤表层, 而越小的微塑料可能在径流、动物(如蚯蚓)活动、植物生长的作用下向土壤深层迁移。

2 微塑料对土壤环境的影响

2.1 微塑料对土壤物理化学结构的影响

现有对微塑料影响土壤物理化学结构的研究比较有限, 仍处于起步阶段。微塑料在土壤环境中的不断积累, 会直接影响到土壤的物理化学结构。Machado等人研究表明微塑料能够影响土壤结构 [58] , 该研究是将壤质沙土暴露在四种常见微塑料类型(聚丙烯纤维、尼龙微珠、聚酯纤维和聚乙烯碎片)的与环境相关的浓度中5周, 他们的结果显示微塑料影响了土壤容重、持水能力以及微生物活性与水稳性团聚体之间的功能关系, 不同类型的微塑料对这些指标表现出不同的影响。Zhang等人的研究则显示不同的结果, 聚酯纤维微塑料对土壤容重无明显影响, 而显著增加实验土壤水稳定性团聚体含量, 另外在野外田间实验并无影响 [30] 。在这两项研究中, 结果不同可能与土壤有机质、微塑料大小、温度相关, 需注意的是Zhang等人的研究中干湿循环可能是影响水稳定性团聚体的形成与稳定性的主要因素。此外还应重视野外田间实验的研究, 审视实验土壤与天然土壤之间的联系与异同, 进一步得出微塑料对土壤环境的影响。BOOTs等人的一项研究显示, HDPE(高密度聚乙烯)微塑料会导致土壤pH降低, 此外研究还表明微塑料改变了土壤水稳性团聚体的大小分布, 影响土壤稳定性 [59] 。Wan等人探究了地膜微塑料对两种粘性土水分蒸发和干裂的影响, 土壤中塑料的存在为水分子运动创造了通道, 显著提高了土壤水分蒸发速率 [60] 。微塑料等物理污染颗粒对矿物颗粒和有机质既有包络作用, 又有成核作用, 堵塞了土壤中部分孔隙, 可能会影响土壤渗水功能 [61] 。由于微塑料的吸附能力低于土壤对污染物的吸附能力, 土壤中微塑料的存在可能会降低天然土壤的吸附能力, 从而增强有机污染物 [62] 和Cd [63] 的移动性, 进而增加污染物对农业生态系统的风险。

2.2 微塑料对土壤生物的影响

虽在近些年开展了微塑料对土壤生物毒理研究, 但仍远落后于对水体生物的研究 [64] 。在微塑料单独作用于生物体的研究中, Lwanga等人研究了不同比例微塑料添加量对蚯蚓的影响, 高比例微塑料添加中的蚯蚓存活率和生长率明显低于添加了7%微塑料和无添加的土壤中的蚯蚓 [23] 。在聚乙烯微塑料浓度梯度为0、62.5、125、250、500、1000 mg·kg -1 的一项研究中, 微塑料对赤子爱胜蚓的存活率、繁殖、生长并无显著影响, 但肠道组织病理学分析显示微塑料导致了肠道组织损伤 [65] 。除了蚯蚓以外, 微塑料对土壤寡毛类环节动物(Enchytraeus crypticus)的也存有毒性效应, 高暴露浓度微塑料(>90 g·kg -1 )显著影响其的繁殖能力 [66] 。同时Enchytraeus crypticus对微塑料出现回避现象, 与微塑料接触的动物表现更强的氧化应激状态 [67] 。在其他生物中, PVC微塑料显著增强了细菌多样性, 并改变了跳虫肠道中的微生物区系, 高浓度微塑料对跳虫的生长和繁殖均有明显的抑制作用 [68] 。白玉蜗牛摄食微塑料纤维表现出食量、排泄量减少, 胃肠壁绒毛明显损伤的现象 [69] 。值得注意的是, 小鼠摄入微塑料后肝脏、肾脏和肠道中均有积累, 微塑料粒径影响微塑料在组织中的分布和积累, 此外实验还表明微塑料暴露引起能量和脂质代谢紊乱以及氧化应激反应 [70] 。而关于对植物的影响, 微塑料污染会改变土壤性质(容重、pH等), 从而影响水动力学和微生物活动, 植物生物量、组织元素组成、根系性状发生了显著变化, 同时也减少了种子发芽率 [59, 71] 。

在微塑料与其他化学物质联合毒性效应研究方面, 早在2013年, Browne等人发现PVC微塑料可携带有机污染物及添加剂转移入蚯蚓肠道组织, 并引发蚯蚓对病菌的抵抗力下降、炎症、死亡等毒理效应 [72] 。在微塑料作为污染物载体或与污染物协同作用的毒理研究中, Hodson等人表明微塑料可以提高Zn的生物有效性 [73] , 而另外一项研究则发现微塑料降低了蚯蚓肠道总砷的积累和As(V)向亚砷酸盐(As(III))的转化速率, 微塑料可能通过吸附/结合As(V), 降低As(V)的生物有效性 [74] 。事实上, 微塑料提高或降低金属生物有效性的结论并不矛盾, 这与微塑料种类、吸附容量、重金属性质等密切相关。此外, 有研究表明微塑料(LDPE、PVC)在肠液模拟系统中微塑料吸附解吸多氯联苯是完全可逆的, 同时也表明微塑料不仅能负载污染物转移至动物体, 同时其在受污染动物肠道中也能够通过吸附降低污染物浓度 [75] , 这提示我们应重视微塑料在复杂污染环境下所产生的不同效应。Gao 等人研究表明聚乙烯微塑料协同邻苯二甲酸二丁酯(DBP)对植物存在影响, 结果证实微塑料会抑制莴苣生长, 阻碍光合作用, 并干扰其抗氧化防御系统, 外源微塑料处理加剧了DBP对莴苣的伤害 [76] 。因此, 微塑料自身及负载污染物对土壤生物均有一定的毒性效应, 但主导因素(物理或化学影响)及诱发毒性机制需进一步研究。

3 微塑料在土壤环境中的迁移转化

3.1 土壤环境中的微塑料释放与迁移

一旦被输送到土壤或在土壤中生成, 微塑料可以通过非生物和生物机制进行分散。通过风力作用, 微塑料在空气中至少可移动95公里 [41] , 同时据推测微塑料可以在地面上较小的空间尺度上移动。Rezaei等人的研究表明风蚀对微塑料在陆地环境中的迁移起到关键作用 [50] , 同样雨水径流对土壤表层微塑料的迁移也起到重要作用 [43, 44] 。此外干湿循环对微塑料的迁移也存在一定作用, David等人的研究表明较大的干湿循环次数增加了微塑料在砂柱中的穿透深度 [77] 。土壤中一些生物如(蚯蚓、跳虫等)被证实有迁移微塑料或者改变微塑料迁移的能力。蚯蚓挖洞增加了土壤孔隙度和水分渗透率, 为微塑料的移动创造了通道, 同时也为水携带微塑料向土壤更深层移动提供了条件 [78] 。有研究表明, 蚯蚓活动极大地提高了深层微塑料颗粒的丰度, 较小粒径的聚乙烯微珠有更大概率被向下运输 [79] 。微塑料被摄入蚯蚓体内后, 颗粒粒径在胃肠道消化作用下变小, 并通过蚯蚓排泄将微塑料富集至蚯蚓粪中 [23] 。在一项实验室研究中, 两种不同的弹尾目动物物种可以移动和再分布微塑料颗粒 [80] , 迁移微塑料的能力与生物体及微塑料的大小以及它们的物种类别密切相关。植物根系可以生长时移动微塑料, 并为额外的移动创造通道, 因此也可能促进微塑料在土壤剖面中更深的地方迁移 [81] 。土壤开裂、孔隙、农艺措施(例如耕作和收获)、植物的根生长、土壤动物(尤其是蚯蚓)的摄食和排泄活动以及其他土壤动物的挖掘行为很可能促成了微塑料在土壤中的垂直迁移: 而捕食活动、土壤表层蚯蚓的生命活动以及农艺措施等可以促进微塑料在土壤中的水平移动 [82] , 如图1所示。

塑料的老化会增加其亲水性从而大大提高球形聚苯乙烯纳米塑料在饱和壤土沙中的迁移率 [83] 。土壤的pH, 矿物质组成, 离子强度和阳离子类型也可能强烈影响纳米塑料在天然土壤中的运输, 天然土壤中PSNP(聚苯乙烯纳米塑料)的迁移运输及归趋对土壤理化性质、离子强度和阳离子类型高度敏感, 并揭示了纳米塑料在高pH和低Fe / Al氧化物含量的土壤中具有很强的迁移能力, 这可能对土壤和地下水环境构成潜在风险 [84] 。Yan等人的研究表明表面电荷是微塑料移动性的主要控制因素, 而微塑料的密度尽管比水低, 但由于与土壤矿物的异质聚集导致的密度增加被认为是其向下迁移的驱动机制 [85] 。目前, 还没有相关研究能够解释形状对微塑料在土壤中迁移的影响, 微塑料的类型和表面结构对其在土壤中迁移和滞留的影响需要进一步研究。

3.2 土壤环境中的微塑料向食物链的迁移及生态风险

对海洋环境中微塑料在食物链的迁移的研究远早于土壤中。Farrell等人的研究展示了微塑料在实验室条件下的“自然”营养转移, 微塑料可从贻贝体内转移到螃蟹的血淋巴和组织中 [86] 。而在土壤环境中, Lwanga等人发现了在陆地食物链中转移塑料碎片的现场证据 [24] , 即在家庭花园土壤-蚯蚓-鸡的食物链中, 土壤、蚯蚓粪、鸡粪和鸡胃中均检测到微塑料, 微塑料富集在蚯蚓粪及鸡粪中。此外, 微塑料在动物体内的富集程度仍需更s深入的研究。一项野外调查首次发现可食用陆生蜗牛体内存在微塑料, 虽然丰度较低, 但表明人类或者其他动物可能通过取食蜗牛而摄入微塑料 [87] 。在陆生鸟类的研究中, Carlin等人发现赤肩鵟、鱼鹰等8种猛禽胃肠道中含有微塑料, 且以纤维塑料居多 [88] 。作为食物链中高营养级动物, 猛禽以鼠类等小型哺乳动物、蛇、蜥蜴及两栖动物为食, 微塑料污染的水及猎物可能是猛禽摄入微塑料的重要来源, 其中营养级迁移机制需进一步研究。Lu等人对中国8个不同地区的20种小动物药材和10种活体陆生动物药材进行检测, 结果显示94.67%的药材检出微塑料 [89] , 这表明微塑料污染广泛存在于动物中药材中, 同时也指出微塑料可能在陆生动物体内普遍存在, 人类使用中药可能导致微塑料的摄入。现有的研究虽未证实微塑料对动物的急性毒性作用, 但随着微塑料生物积累以及在食物链的迁移, 可能会对陆地食物网及人类健康造成不利影响。

图1 土壤微塑料迁移示意图

Figure 1 Schematic diagram of migration of microplastics in soil

4 总结与展望

水环境特别是海洋中的微塑料污染已经引起了全球的广泛关注, 相比之下土壤系统微塑料污染受到的科学关注要少得多。本文对土壤环境中微塑料的来源、丰度及分布特征、对土壤物理化学结构和生态功能的负面影响、微塑料的迁移机制以及食物链中的营养转移进行了归纳总结, 现有的研究对土壤微塑料污染生态影响的认识还存在不足, 许多机制问题仍不清楚, 在全面揭示土壤微塑料污染之前, 还需进行更加深入的研究。在现有研究的基础上, 提出以下几点看法:

1)现有对土壤环境中微塑料的研究远远不够全面评估土壤微塑料污染的全貌。对比水体中微塑料的检测, 土壤在检测手段上缺乏统一标准, 以至于不能科学客观地比较地区污染水平。应根据土壤不同的性质开发一套快捷、经济的检测方法, 实现标准化。此外还应重视纳米微塑料的提取与检测, 并探索其迁移转化规律。

2)应加强土壤中微塑料的来源及归趋研究。重视新技术(如无机源示踪剂、同位素材料等)在研究微塑料进入土壤环境或食物链中的应用, 以构建微塑料迁移模型, 更好地预测微塑料进入土壤环境中的行为, 为防控微塑料污染提供理论基础。

3)区分不同类型、形状、大小微塑料对生物的毒理效应。现有大部分研究采用的微塑料材料为荧光聚苯乙烯微粒, 在今后研究中应考虑到微塑料材料的代表性, 包括其在环境中不同类型、形状、大小微塑料所占比例等, 以更好地评估微塑料的毒理效应。

4)在陆生环境中, 现有的野外研究仅涉及到蜗牛