丹麦科技大学Peter Fantke团队STOTEN：在生命周期评估中将微纳塑料来源与土壤生态系统服务损害联系起来

土壤生态系统对于生态系统服务（ES）至关重要，由于人类活动的加剧和扩大，土壤生态系统将承受巨大的环境压力，这可能对其提供的相关生态系统服务产生潜在的影响。微塑料和纳米塑料（MNPs）与多种人类活动释放的物质相关，在全球土壤生态系统中普遍存在，并构成了重大的威胁。生命周期评估（LCA）是一种评估产品和技术生命周期环境性能的工具，由于MNPs的环境归宿和生态毒理效应的不确定性，以及对土壤物种、功能多样性和ES的相关损害的描述不足，该工具尚未充分考虑到MNPs对土壤ES的相关损害。为了量化MNPs对土壤生态系统服务的损害，有必要确定从MNPs来源到对土壤生态系统中物种和功能多样性造成损害的基本途径，并将其与生态系统服务的损害联系起来。本研究旨在填补这一空白，具体目标为：（a）提供将MNPs来源、影响以及对ES的破坏联系起来的概念框架；（b）概述MNPs的来源、环境归宿以及对土壤生态系统的影响；（c）讨论将环境影响与对土壤物种多样性、功能多样性和ES的破坏联系起来的方法。迄今为止，现有的综述仅关注MNPs排放与对物种影响之间的联系，而未考虑到影响与对相关生态系统服务的损害之间的联系。本手稿旨在通过扩展生命周期评估，将MNPs及其对土壤生态系统和生态系统服务的损害纳入其中，以填补这一空白。

图1 微塑料和纳米塑料（MNPs）的来源及进入土壤生态系统的途径（a）；MNPs在土壤中的环境行为（b）；MNPs对土壤生态系统影响的潜在LCIA建模框架（c）；以及土壤生态系统的功能属性维度（d）。

Fig. 1 Sources of micro- and nanoplastics (MNPs) and pathways into soil ecosystems (a), Environmental behavior of MNPs in soil (b); potential LCIA modeling framework for MNPs impacts in soil ecosystems (c); and functional attribute dimensions of soil ecosystems (d).

本研究提出了一个概念框架，旨在将MNPs对土壤生物的影响与相关的生态系统服务损害在生命周期评估中联系起来（图 2）。要量化对土壤生态系统提供服务的损害，关键在于厘清MNPs对土壤生态系统的结构-功能-服务损害的级联关系，并提出可行的定量表达评估方法，同时讨论MNPs影响土壤ES损害的优缺点和数据的可能性。

图2 将微塑料和纳米塑料对土壤生物的影响与对结构性生物多样性、功能性生物多样性和土壤生态系统服务的破坏联系起来的概念框架

Fig. 2 Conceptual framework for linking impacts associated with micro- and nanoplastics on soil organisms to damage on structural biodiversity, functional biodiversity, and soil ecosystem services.

研究表明，多种人类活动将各类MNPs引入土壤生态系统。如图 1（a）所示，包括在农业中的地膜使用、城市污水处理厂中的污泥和固体废物堆肥、灌溉、塑料垃圾处理、大气沉降和雨水径流。MNPs通过毒性、物理破坏、生物干扰和改变土壤性质的方式对土壤生物产生负面影响。它们会释放有害物质，对微生物和蠕虫造成伤害，并影响它们的生长、繁殖和整体健康。如图1b所示，MNPs引起的土壤环境变化进一步影响养分循环、植物生长和整体土壤健康。这些变化对土壤支持、供应、调节和文化服务等功能产生影响（图 1d）。同时，土壤是MNPs的重要库，受其积累、迁移和转化的影响。图 3所示的这些过程决定了MNPs在土壤和生物群中的保留以及最终进入食物链，对人类健康造成潜在风险。

图3 微塑料和纳米塑料在土壤中的主要环境归宿过程

Fig.3 Main environmental fate processes of micro- and nanoplastics in soil

为了将MNPs的影响与土壤物种损失联系起来，我们引入了几种方法。例如，阈值指标分类群分析法（TITAN）可确定物种分布在环境梯度上的变化，从而全面了解MNPs的潜在影响。其他技术如物种敏感性分布（SSD）、动态能量预算（DEB）模型和DNA代谢编码等其他技术为了解MNPs影响与土壤物种损失之间的关系提供了不同但有效的方法。为了评估对土壤功能多样性的破坏，有人提出了基于性状的方法。这种方法侧重于生态系统中物种的性状及其对生态系统功能的贡献，从而更深入了解MNPs可能造成的功能多样性损失。最后，为了将功能损失与土壤生态系统的破坏联系起来，可以采用多种方法，包括基于功能特征的方法、基于生态网络的方法和贝叶斯信念网络。这些技术可以表示复杂的因果关系，并估算特定土壤ES受损的概率。总之，这些方法有助于将MNPs的影响纳入生命周期评估框架，以便更全面地了解MNPs对土壤环境中物种多样性、功能多样性和ES的破坏。然而，还需要更多的研究来完善这些方法，并将它们一致地结合到生命周期评估损害模型中使用。

评估MNPs对土壤ES的影响需要整合实验室和田间数据，融合生态学概念和毒性评估。MNPs的属性如大小和类型影响结果，了解其生物可用性和分布至关重要，土壤类型和气候决定了风险。全面的见解需要融合生态理论、野外工作、实验室研究，符合LCA边界条件。ES管理依赖于生物监测和分析，监测土壤中的MNPs及其ES影响至关重要。MNPs来源不同，影响降解和土壤互动，可能释放污染物，增加了MNPs污染的复杂性。解决这些挑战需要改进数据收集和分析框架，建立LCA框架以弥合理论与实际影响之间的差距。

本研究中，我们概述了MNPs的来源、归宿和对土壤生态系统的影响。我们提出了不同的方法，将这些影响在生命周期评估框架内与物种损失、功能多样性损失以及土壤生态系统服务的损害联系起来。