微塑料污染現狀及其對土壤生態系統的影響

孫飛虎，張 弛，李洪波，張瑞芳，王 紅，王鑫鑫*

（1．河北農業大學資源與環境科學學院，河北 保定 071001；2．河北省山區農業技術創新中心，河北 保定 071001；3．國家北方山區農業工程技術研究中心，河北 保定 071001；4．河北農業大學河北省山區研究所，河北 保定 071001；5．中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

塑料是單體通過加聚或縮聚反應聚合而成并通過加入某種化學物質改變其性能的高分子聚合物。由于其價格低、耐久性好、質量輕、延展性好，被廣泛應用于日常生活的各個方面［1］。塑料在長期的物理、化學、生物作用下逐漸分解成無數個小的塑料顆粒、纖維、碎片等，其中直徑小于5 mm的歸為微塑料［2］。根據其來源不同，微塑料又可被細分為初級微塑料和次級微塑料。初級微塑料是指在塑料生產過程中產生的塑料顆粒、塑料纖維等，次級微塑料是指塑料制品或塑料垃圾進入自然環境后分化形成的微小塑料碎片［3］。目前環境中微塑料的形貌類型主要有薄膜、碎片、纖維、顆粒和發泡等［4］。常見的微塑料聚合物類型有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）、聚乳酸（PLA）等［5-6］。由于塑料使用量壓倒性的增加，污染問題加重，微塑料污染問題正在引起全球的重視。

調查顯示，1950至2015年間，全球的塑料廢棄物估計有63億t［7］。2019年，全球塑料制造總量約為3.6×108t［8］。如果塑料消費和全球生產持續增加，微塑料污染造成的環境破壞將會更加嚴重［9］。我國土壤微塑料污染的來源有農業地膜的使用、污泥和有機肥的施用、地表水灌溉和大氣沉降等方式［4］。Qi等［10］預測，到2025年，中國的塑料產量將達到2.28×106t。大塊塑料經紫外線照射、碰撞磨損等方式破碎形成粒徑小于5 mm的固體顆?；蚶w維［11］。在復雜的非均質土壤系統中，微塑料來源于多種復雜的生態途徑和環境循環，可能產生各種生態壓力［12］。其在土壤中的豐富性、持久性和無處不在，象征了一種嚴重的環境風險［13］。土壤提供了生命所必需的廣泛生態系統服務，同時也是微塑料的重要儲存庫［14-15］，因此微塑料的分解方法及對土壤影響的作用機制成為我國目前亟待解決的問題。而現今關于土壤微塑料的研究還處于起步階段，因此研究土壤中的微塑料具有重要意義。

1 我國微塑料污染現狀

我國是全球塑料使用量最高的國家，由于對塑料回收利用的政策還不完善，大量塑料廢棄物進入環境中。水體是微塑料匯聚遷移的地點，我國遼河流域土壤中微（中）塑料的豐度范圍在（13.33±11.55）～（886.67±133.17）個/kg之間［16］。汾河上、中游沿岸農田土壤中微塑料豐度均值為213.8個/kg［17］，天津近海岸海水樣品微塑料豐度在210～1170個/m3之間［18］。

全國范圍內不同地區不同利用類型土壤都具有不同程度的微塑料污染。我國武漢地區土壤微塑料豐度為2.2×104～6.9×105個/kg［19］。Liu等［20］在上海郊區的20塊菜地農田土壤中發現淺層土壤和深層土壤微塑料豐度分別為（78.00±12.91）和（62.50±12.97）個/kg，其中＜1 mm的微塑料分別占其組分的48.79%和59.81%。Zhou等［21］調查了我國渤海和黃海沿岸土壤中微塑料的分布，發現土壤微塑料的濃度為1.3～14712.5個/kg。Ding等［22］在我國西北地區毛烏素沙地土壤中觀察到薄膜、顆粒、碎片和纖維4種類型微塑料，平均含量為2697個/kg。高污染地區通常有典型的污染源或長期使用塑料薄膜覆蓋，如我國云南滇池一個農田區域的微塑料濃度較高，平均為18760個/kg［23］。Yu等［24］在我國北方最大的溫室蔬菜生產基地山東省壽光市采集設施農業土壤、露地農業土壤和農用塑料地膜樣品測得所有采樣點3個土壤層的微塑料豐度范圍為310～5698個/kg，平均值為（1444±986）個/kg，主要形狀是碎片和薄膜。Han等［25］在天津（我國北方）校園草坪土壤中檢測出PP微塑料75個/kg。

廢棄物處理區由于塑料富集導致土壤微塑料污染尤為嚴重，Chai等［26］在我國貴嶼鎮一個電子垃圾分解區觀察到，不同土地利用方式下的土壤中微塑料的豐度差異很大，范圍在0～34100個/kg之間。潘琪等［27］研究在萊州市沙河鎮廢舊塑料再生基地內部及周邊區域采集土壤樣品，檢測得出廢棄塑料再生地農田土壤中6種鄰苯二甲酸酯（PAEs）總量介于4.63～15.59 mg/kg之間，參考美國土壤PAEs控制標準，其中的鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二乙酯和鄰苯二甲酸二丁酯超標嚴重。

由上可知，微塑料已經遍布我國各地區，涉及各種利用類型土壤，土壤微塑料污染問題亟待解決。但目前還仍未建立統一的土壤中微塑料污染檢測指標和有效的污染治理技術，這是未來必須要面臨解決的問題。

2 土壤中微塑料的來源

土壤中的微塑料是人為生產的塑料制品以不同的攜帶方式直接或破碎后進入土壤環境。其來源主要有：

（1）農業地膜覆蓋殘留的微塑料。農用塑料覆膜其主要材料是PE，PE膜在自然條件下不易降解［28-29］，這些被包裹在土壤中的塑料薄膜在耕作、紫外線輻射和微生物降解的幫助下，慢慢分解成微塑料［26］。

（2）有機肥中攜帶的微塑料。Bl?sing等［30］在德國波恩某堆肥廠中的3個有機肥樣品中，目檢發現塑料碎片，其含量為2.38～180個/kg。Yang等［31］研究發現施用豬糞后的土壤與未經改良的土壤相比，土壤中微塑料的含量顯著增加，長期施用豬糞的農業土壤中，塑料微粒的平均累積速率為（3.5±1.7）×106個/（hm2·年）。

（3）污水污泥中的微塑料。污水污泥是農業系統中微塑料的重要來源［32］。Li等［33］通過對我國11個省市28家污水處理廠79份污泥樣品進行分析，研究污泥中微塑料的存在情況。結果得出干污泥樣品中的微塑料濃度為1.60×103～56.4×103個/kg，平均為（22.7±12.1）×103個/kg。

（4）地表徑流和農田灌溉引進土壤中的微塑料。地表徑流和農田灌溉會將大量微塑料帶入土壤中［34］。耿世雄［35］研究得出長江中下游18個湖泊表層水中微塑料的含量范圍為240～1800個/m3，平均豐度為（780±429）個/m3。徐沛［36］在長江口和東海區域共檢測出3225塊微塑料（60～5000 μm），濃度分別為（157.2±75.8）和（112.8±51.1）個/m3。

（5）垃圾填埋進入土壤的微塑料。生活垃圾、城市垃圾等填埋場是微塑料的潛在產生源［37］，如紡織品外套、人造毛皮含有微纖維［38］，個人護理產品，如洗面奶和牙膏，含有大量的初級微塑料［39］，煙熏過濾器和未吸剩余煙草含有微纖維［40］。

（6）大氣沉降的微塑料。Dris等［41］研究結果顯示，大氣沉降物中含有大量纖維，表明大氣沉降是微塑料的一個不可忽視的潛在來源。

（7）其他來源的微塑料。道路和輪胎碎片，也是土壤微塑料的來源之一［42］。鳥類等遷徙類動物也可以作為微塑料長距離運輸的載體，對微塑料的遷移及擴散起到一定作用［34］。

3 微塑料對土壤生態系統的影響

目前，全球范圍內對塑料的需求量大，由于回收利用措施不完善，大量塑料經填埋處理，產生大量性質穩定、難降解、易揮發的塑料垃圾衍生物微塑料，廣泛富集于土壤中，與土壤有機質發生相互作用，被土壤中微生物吸收，并且還會與土壤中的物質發生吸附作用，進而改變土壤的物理化學性質，影響土壤中的養分循環。

3.1 微塑料對土壤理化性質的影響

由于微塑料表面的特殊性質，其會與環境中一系列不同疏水性的有機化學物結合，例如多環芳烴、多氯聯苯、多溴二苯醚、二惡英和金屬［43］，形成復合污染物。Yu等［44］研究結果顯示，土壤中粒徑為100 μm的PE存在促進重金屬（Zn、Cu、Ni、Cd、Cr、As、Pb）從生物有效態向穩定有機結合態的轉化，降低了其生物可利用性。微塑料影響土壤團聚體的形成、穩定和分解過程［45］。劉亞菲［46］研究得出土壤水穩性微團聚體中微塑料含量顯著高于大團聚體，微塑料含量高的微團聚體難以被團聚成大團聚體，因此微塑料的存在會破壞土壤結構，造成土壤表面干燥開裂。Machado等［47］研究發現，不同類型的微塑料對土壤產生的影響不同，如聚酯可降低土壤水穩性團聚體的量，而PE則顯著提高了土壤水穩性團聚體的量。

微塑料進入土壤會導致土壤養分、水分水平發生變化。微塑料薄膜可以形成水通道，使水迅速滲透到深層土壤中，并且這些薄膜還會導致表層土壤出現干燥裂縫，也可以通過創造水運動通道來加速土壤水分蒸發［48］。Seeley等［49］通過對比添加聚氨酯和PLA的沉積物與沒有微塑料的對照沉積物發現，添加聚氨酯和PLA的沉積物促進硝化和反硝化，而添加PVC抑制這2個過程。Dong等［50］通過研究微塑料（PS和聚四氟乙烯）和As對水稻根際土壤的影響發現，As、PS和聚四氟乙烯會與酶結構中的氨基酸殘基相互作用，土壤脲酶、酸性磷酸酶、蛋白酶、脫氫酶和過氧化物酶的活性受到抑制，從而降低土壤有效N和P的含量。Yu等［51］通過長期培養試驗發現，PE微塑料污染下土壤中N、P、K、可溶性有機C、Olsen-P和可溶性有機N含量下降，導致土壤養分水平下降。Hou等［52］研究發現，PE微塑料的存在顯著改變了土壤陽離子交換量、全N含量、溶解有機C和Olsen-P含量，改變了不同土壤團聚體組分的物理化學性質，且顯著性隨著土壤團聚體尺寸的變化而變化。Li等［53］采用逐級化學提取和生物學方法研究了土壤重金屬的生物有效性。結果表明，PE微塑料降低了土壤對金屬（Cu2+和Ni2+）的吸附能力，提高了土壤中金屬（Cu2+和Ni2+）的可交換性和生物有效性。

3.2 微塑料對土壤微生物的影響

微塑料對土壤微生物的影響與其粒徑、類型和濃度有關。Fei等［54］研究發現添加低濃度（1%w/w）、高濃度（5% w/w）PE和高濃度（5% w/w）PVC能顯著提高變形桿菌目（Betaproteobacteriales）和假單胞菌目（Pseudomonadales）的相對豐度，而添加低濃度（1% w/w）PVC則輕微降低這2個菌群相對豐度。添加PVC后弗蘭克氏菌目（Frankiales）和丙酸桿菌目（Propionibacteriales）豐度升高，而添加PE后豐度降低。Feng等［55］通過研究0.2%和2%（W/W）濃度下不同類型MPs對微生物的影響發現，濃度為2%時，會明顯降低細菌群落的豐度和多樣性，并改變微生物群落組成。叢枝菌根真菌是近年來的一個研究熱點，微塑料對叢枝菌根真菌的影響與其類型、濃度、粒徑有關。Wang等［56］通過試驗發現，PE對叢枝菌根真菌的多樣性沒有影響，但是大大改變了它們的群落結構，而PLA對叢枝菌根真菌多樣性和群落組成均有顯著影響。張曉晴［57］研究得出，微塑料粒徑和濃度顯著影響了叢枝菌根真菌的物種組成。Lehmann等［58］觀察到聚酯微塑料能夠促進叢枝菌根真菌和菌絲圈的定殖。微塑料被證實可以改變土壤微生物群落組成。Cheng等［59］研究發現PP微塑料對土壤細菌多樣性和細菌群落結構有明顯的影響，其中，氣單胞菌科（Aeromonadaceae）和假單胞菌科（Pseudomonadaceae）的相對豐度顯著增加，而亞硝基球菌科（Nitrososphaeraceae）和變形桿菌門（Proteobacteria）的2個未知科的相對豐度顯著減少。Yan等［60］研究發現，PVC微塑料雖然對整個細菌群落無顯著影響，但對某些細菌類群的豐度有顯著影響。Wang等［61］利用線性判別分析的方法來確定對照組和微塑料暴露組之間豐度的顯著差異，結果顯示微塑料選擇性地富集了土壤樣品中的特定細菌成員。Ng等［62］的研究顯示，在添加PET（施用量分別為0.2%和0.4%）和低密度PE（施用量較高時為3%）42 d后，土壤細菌群落的均勻度和豐富度降低。Seeley等［49］研究發現，微塑料的存在可以改變沉積物微生物群落組成，對照組中染色菌科（Chromatiaceae）、外硫紅螺旋菌科（Ectothiorhodospiraceae）、慢微生物科（Lentimicrobiaceae）、磁球菌科（Magnetococcaceae）、小梨形菌科（Pirellulaceae）、Sedimenticolaceae（暫譯為沉香科）、嗜熱厭氧菌科（Thermoanaerobaculaceae）和沃斯菌科（Woeseiaceae）［63］的相對豐度明顯高于PVC處理。Guo等［64］研究發現，土壤中加入聚酯超細纖維對土壤微生物群落的多樣性和組成影響不大，而附著在聚酯超細纖維上的細菌群落比附著在周圍土壤上的細菌群落更為多樣。Lozano等［5］研究發現，土壤中添加濃度較高的微塑料纖維導致微生物活性降低，如0.3%（w/w）的PA和聚酯、0.4%（w/w）的PP，而土壤中添加低濃度的0.1%（w/w）PA纖維，與對照相比增加了微生物的活性。Gao等［65］通過試驗發現，微塑料添加處理與對照處理相比，土壤微生物生物量、微生物群落活性和土壤CO2排放量增加，并指出微塑料引起的土壤呼吸增加可能是由于生物量和微生物活性的增加以及微生物對微塑料添加壓力的反應。在這些研究中，聚合物的形狀、類型、濃度和大小等參數都是不同的，因此不能根據單個變量來歸納出微塑料對微生物活性的毒性效應，更重要的是人工干預狀態下微塑料的濃度可能不能代表與實地相關的條件［66］。

3.3 微塑料對土壤動物的影響

Jacques等［67］結合暴露和影響數據評估微塑料對土壤生物風險的研究，得出一個可以肯定的結論，隨著土壤中微塑料濃度的增加，對土壤生物群的潛在風險也會增加。Wang等［68］研究表明，蚯蚓能夠直接攝入微塑料顆粒，且在人為高濃度微塑料土壤環境下，微塑料顆粒和氧化應激會對組織造成損傷。Kwak等［69］的報告描述了土壤無脊椎動物接觸微塑料影響其精囊中精子束的排列，對精子造成有害影響，且蚯蚓（Eisenia andrei）的體腔細胞毒性試驗結果顯示，接觸微塑料的體腔細胞內酯酶活性顯著下降，體腔細胞的細胞活力受到抑制。Lei等［70］通過將線蟲（Caenorhabditis elegans）暴露在（納米）微塑料的懸濁液中發現，（納米）微塑料對線蟲的運動具有興奮毒性，如加快身體彎曲和頭部擺動的頻率，且線蟲在1 μm塑料顆粒暴露下顯著降低了線蟲unc-17和unc-47的表達，并對膽堿能和γ-氨基丁酸能神經元造成明顯損傷。此外，Lei等［71］還發現，接觸微塑料會降低線蟲的Ca2+水平，但增加了線蟲腸道中谷胱甘肽S-轉移酶的表達，這表明接觸微塑料對腸道損害的主要影響是氧化應激。Ju等［72］研究發現，微塑料對白符跳蟲（Folsomia candida）有明顯的毒性作用，可以改變白符跳蟲的腸道微生物群落，其中沃爾巴克氏菌（Wolbachia）的減少可能影響了白符跳蟲的營養供應和免疫保護，從而可能導致彈尾蟲繁殖率的下降和死亡，并且類似的變化在老鼠［73］體內被觀察到，這需要更深入的研究來證實。Lin等［74］在我國重慶市金佛山平原區進行田間試驗，發現田間添加低密度PE導致了土壤動物群落組成豐度的減少和轉移，特別是在高濃度水平（15 g/m2）下。

3.4 微塑料對植物的影響

目前微塑料對植物的毒性作用機理尚不清楚，且在植物組織中很難區分不同類型的微塑料。但有研究證明植物可以吸收微塑料，Bandmann等［75］用熒光微球檢測觀察到納米級、微米級微塑料可以穿過植物細胞膜和細胞壁屏障，植物的內吞作用有助于納米級（＜100 nm）熒光PS微球進入煙草BY-2細胞內。Li等［76］研究發現，亞微米和微米大小的PS和聚甲基丙烯酸甲酯顆粒能直接從萵苣（Lactuca sativaL.）和小麥（Triticum aestivumL.）側根出現的裂紋穿透入2種植物的中柱，這是一種有效的吸收方式。Li等［77］研究發現，PS納米塑料首先在黃瓜（Cucumis sativusL.）根系中積累，然后通過莖被運輸到葉子、花和果實中。

微塑料的植物毒性主要取決于其種類和濃度，如PE對玉米（Zea maysL.）無明顯的毒性，而在10%（w/w）PLA土壤中，表現出較高的植物毒性，但0.1%和1%（w/w）PLA對玉米無顯著影響或刺激生長［56］。Yang等［78］研究發現，土壤加入高密度PE和PLA會增加Zn在玉米根中的積累，同時減少了Zn在地上部的分配 ，影響了養分的有效性以及植物的吸收和轉運。安菁等［79］研究發現，土壤微塑料殘留量較低時，大豆［Glycine max（L.）Merr.］隨生育期的延長可通過自身抗氧化系統減小脅迫影響；殘留量較高時，則植株葉面積、株高、根系活力等各項生理生化指標均受到較大程度的影響。大量研究顯示，土壤微塑料的存在會影響植物正常生長，王成偉等［80］研究指出，PS和鄰苯二甲酸二丁酯復合污染會抑制生菜（Lactuca sativaL.）的光合作用和糖代謝，從而降低生菜的品質。Kleunen等［81］發現用于人工運動草坪的微塑料三元乙丙橡膠在5% 及以上濃度時，對草地植物長葉車前（Plantago lanceolataL.）存活和生長有強烈的負效應。Boots等［82］通過圍隔試驗評價了土壤的生物物理響應，當接觸到纖維或PLA微塑料時，黑麥草（Lolium perenneL.）種子發芽率較低，而且隨著PLA微塑料的加入，枝條高度也有所降低。由于植物生長狀況與土壤理化性質和根際微生物關系密切，因此微塑料也可以通過影響土壤性質和微生物群落的結構和相關微生物活性的變化，從而間接影響植物的表現［11］。

3.5 小結

上述研究表明，微塑料進入土壤后，土壤生態系統受到了不同程度與形式的影響。微塑料改變了原有生態環境，其對土壤生態系統影響的程度與微塑料的種類、粒徑、濃度等相關。并且，微塑料可以被植物和動物吸收，可能隨著食物鏈進入人體，對人體健康具有潛在危害［4，83］。目前，針對微塑料對土壤生態系統影響的研究還不夠系統，且仍未建立一個統一識別和分離的標準。最后，實際土壤中的微塑料可與有機污染物、重金屬、抗生素等不同污染物共同對土壤生態系統產生影響［56，84］。因此，了解微塑料對土壤生態系統可能造成的影響還需要進一步有針對性的研究。

4 展望

微塑料概念的提出距今已有16年，關于微塑料在土壤環境中的研究仍處于起步階段，而關于土壤微塑料的研究更是遠遠不足，這一領域中的各項技術及機制仍未有統一的標準。目前，全球范圍內微塑料污染嚴重，微塑料研究與治理問題亟待解決。

（1）土壤中微塑料存在覆蓋范圍廣，由于微塑料的特性與塑料使用量的增加，未來土壤中微塑料污染將持續加重，可以通過量化某一途徑進入土壤的微塑料，以評估其對土壤中微塑料的貢獻，針對性加強對塑料使用與回收的管控工作，并通過減少塑料的使用、更新塑料回收處理標準的方法，從源頭減少微塑料的產生。

（2）由于土壤的復雜性，且微塑料具有不同尺寸、結構和顏色，需要推進土壤微塑料的分離與識別技術研究，建立統一的土壤微塑料分離與識別技術，為土壤微塑料的研究提供技術支撐。

（3）土壤中微塑料來源多樣，以不同的途徑影響生態系統，需進一步了解其環境歸宿，探究其對土壤生態系統中土壤理化性質、微生物、植物、動物影響的作用機制以及評估其可能對人體健康產生的影響。目前，針對微塑料對土壤生態系統的研究大部分是在室內模擬環境下進行的，并缺乏長期作用的研究，未來需要增加室外土壤中微塑料污染影響機制的研究。

（4）有研究發現，微塑料在環境中可以被一些微生物降解［85-88］。使用微生物降解微塑料是一種很有前途、環境風險低的治理方法，但是目前相關降解技術還不成熟，需要進一步深入微塑料在土壤中的降解機制與篩選降解菌株的研究。