海南大学黄青团队ET&I:土壤污染中的潜在杀手——微塑料

2023-07-11

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图文摘要 | Graphical Abstract

导读 | Introduction

近几十年来，持续的塑料生产导致日益严重的环境污染。据2018年“塑料欧盟”统计，2017年塑料年产量超过3.48亿吨。2019年爆发的新冠大流行导致以橡胶和塑料为材料的个人防护设备（如口罩和手套）的使用量较爆发前增加了10多倍，处理不当容易导致周围环境中塑料污染的增加。其中农膜覆盖是农业土壤中微塑料污染的主要污染源，废弃的农膜等农用塑料在紫外线的照射以及水或耕作扰动、蚯蚓等物理或化学或生物作用转化为微塑料（MPs，粒径 <5 mm的塑料颗粒），微塑料在农业土壤中导致污染行为的发生（如图1）。本文旨在探讨微塑料污染对土壤环境的影响，解析微塑料在土壤环境中的污染现状、迁移转化行为以及耦合污染物对土壤生态环境的影响。

图1 在土壤系统中的微塑料污染物。

一、影响土壤理化性质

| Effects on soil physico-chemical properties

土壤微塑料大大地减少了雨水和灌溉水在土壤中的入渗，微塑料降低了土壤的持水能力并形成厌氧环境（表1）。微塑料阻碍土壤水蒸发，导致土壤湿度增加。有研究报道，微塑料对土壤物理特征和结构的影响令人担忧，微塑料降低了土壤中水分渗透性（孔隙率）和土气的界面交换；或微塑料通过提高水稳定团聚体的百分比来改变土壤的物理特征和结构。总之，微塑料改变土壤的保水性和渗透性，导致土壤类型的蒸发特性发生改变，致使土壤易开裂、收缩。影响土壤裂缝的产生、土壤中溶质和水的运输。当土壤被微塑料污染时，其体积密度、孔隙结构和持水能力等物理特性都会随之发生变化。

表1 覆盖对农业土壤的影响。

二、影响土壤酶活性

| Effects on enzymatic activities of the soil

微塑料在土壤中的存在显著影响了过氧化氢酶和脲酶的活性。在微塑料表面发现了独特的微生物群落，这可能会改变土壤环境的基本生态功能和生物地球化学过程。微塑料的积累会增强酶活性，增加了对有机磷库、氮库和碳库等水溶态物质的积累；土壤酶活性的增加通过分解土壤有机质（SOM）和循环利用土壤养分，参与碳、氮和磷矿物的循环。微塑料对土壤中细胞外酶活性的影响，目前仍有争议。一些研究表明微塑料会抑制细胞外酶的活性，但也有研究表明它们可能会增强这些活性。总之，现有文献表明，微塑料对细胞外酶活性的影响是高度可变的。

三、影响土壤微生物

| Effects on soil microbes

微塑料在土壤环境中的积累会干扰微生物的活动，土壤微塑料如同一个载体在表面吸附有害的污染物，如有毒的金属离子和疏水的有机污染物。微塑料可为土壤微生物提供栖息地，从而在塑料碎片表面形成微生物群落，又称“塑料域”。微生物菌落，如弧菌属，被发现出现在微塑料的表面上。微塑料可携带微生物转移到植物和动物的组织或器官中的一种载体，微塑料可能会改变生物体中肠道微生物群的多样性，不同土壤条件和不同类型微塑料污染物对土壤微生物影响存在差异。

四、影响本土动物群

| Effects on resident fauna

表2总结了微塑料对土壤环境中各种生物的影响。摄入塑料残留物会阻碍许多动物消化道对营养物质的消化与吸收。由于微塑料往往会在食物链中富集，会对不同营养级的土壤生物造成危害，进而对整个生态系统产生不利影响。蚯蚓对有毒金属、多氯联苯和杀虫剂等各种土壤污染物的高度敏感性，蚯蚓被广泛认为是毒理学研究中的重要模式生物。类似蚯蚓这种居住在土壤中的动物可以通过分解易碎的塑料残骸来分解它们。然而，当蚯蚓暴露于土壤中125 mg kg⁻¹浓度的微塑料时，蚯蚓的肠道上皮和组织会受到病理学损伤。即使短期暴露于70μm大小的微塑料仅10天，也会导致肠道损伤，包括肠细胞分裂和绒毛破裂。已有研究表明，微塑料可导致氧化应激和炎症，增加细胞内活性氧（ROS）水平。

表2 微塑料对土壤中不同生物的影响。

五、影响植物生长

| Effects on plant growth

微塑料在土壤中的存在会导致养分有效性和物种多样性的降低，以及微生物活性的下降，最终影响作物的生长、发育和生产。研究表明，植物根系可以通过微小的裂缝进入吸收微塑料，并将其转移到地上部，从而影响植物的不同功能和总体产量。因此，微塑料可能阻碍作物生长，最终导致粮食产量下降。例如，葱的总生物量、叶片和根系性状受到微珠、微碎片和微纤维三种类型的微塑料的极大影响。微塑料可以被类似小麦的农作物通过根部吸收而进入食物链，最终影响食品安全。此外，微塑料已被证明在营养和生殖阶段对小麦的发育和组成都有不利影响。

六、化学污染物与塑料残留物的联合毒理学效应

| The combined toxicological effects of chemical pollutants with plastic residues

塑料中的增塑剂和分散剂是一种化学添加剂，可以提高塑料的质量和柔韧性，同时降低其粘度。已经发现这些化合物会影响土壤微生物的组成和酶的活性。由于其高度疏水性，增塑剂很容易吸附到土壤有机物上，并在土壤环境中持久存在。随着塑料在土壤中降解，增塑剂被释放，污染土壤，对粮食安全构成威胁。邻苯二甲酸酯（PAEs）是一种常用的增塑剂，已在土壤样本、水果、蔬菜和谷物中广泛检测到。接触增塑剂会导致动物和人类的各种健康问题。此外，研究表明，增塑剂、单体和阻燃剂等添加剂可以在塑料材料的生命周期中渗入土壤。塑料由于其疏水表面，可以吸收其他有毒物质，如金属、多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）和有机氯农药。因此，研究PAEs等对土壤食物网的影响至关重要，因为土壤食物网最终会影响人类食物链。

总结 | Conclusions

微塑料在土壤环境中的迁移转化以及生态环境效应已成为新兴研究领域的关注焦点。有文献表明，微塑料对土壤的污染引起了人们的极大关注，因为它不仅影响土壤的物理化学性质，还影响动植物群。微塑料的自各种来源，与持久性有机污染物（POP）、多环芳烃（PAHs）、抗生素和其他化学物质相互作用，增强其毒性作用，并成为污染物在土壤生态系统中转移的载体。微塑料和潜在有毒元素（PTEs）的同时污染可能会带来生态风险，并可能损害土壤生态系统。土壤中微塑料的存在对土壤酶活性、土壤微生物和其他动物群有不利影响，进而改变土壤生态功能和生物地球化学过程。此外，土壤微塑对植物生长和作物产量产生不利影响。

第一作者：Sajjad 博士生

海南大学生态与环境学院

海南大学在读博士研究生。主要研究农业土壤中的微塑料的风险评价及污染修复。发表期刊论文8篇。

第一作者：黄青教授

海南大学生态与环境学院

海南大学生态与环境学院教授、博导，海南省领军人才，海南大学D类高层次引进人才，主要研究领域城乡物质循环中生源要素在生物地球化学循环迁移转化关键节点上的人为调控。目前为《Toxics》、《亚热带植物科学》编委，主持国家自然科学基金面上项目和海南省科技计划项目；国家科技支撑计划项目专题；福建省引导性（重点）项目等纵向科技计划项目10余项；企业横向项目13项；作为科研骨干参与中科院战略先导专项、中科院重点方向性项目、科技支撑计划项目和国家基金项目等10余项，在国内外期刊发表论文70余篇。联系E-mail：huangqing@hainanu.edu.cn 。

来源：Environ Technol Innov。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号，拥有15W+活跃读者。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。