北極星環境修復網訊:海洋微塑料汙染作為新型環境問題受到全球重視。相對地，土壤特別是農用地微塑料汙染尚未引起廣泛關切。文章綜述了土壤中微塑料的來源、積累、降解、遷移及其生態環境和食物鏈的潛在風險等方面的研究進展，提出了相關的加強研究和監管對策建議。
文章指出，農用地膜破碎、有機肥施用、汙水灌溉、汙泥農用、大氣沉降以及地表徑流等已成為土壤中微塑料的來源，可能導致土壤—食用性作物中微塑料積累和影響土壤生物行為。文章認為，對於進入土壤中的微塑料的存在形態、遷移、降解及其環境風險，在動植物中的積累及其生物生態、食物鏈的風險，進而對人體健康的風險等都還缺乏研究與了解；對如何加強土壤微塑料汙染防控和修復，也缺乏探討與意識。
因而，文章提出要重視土壤中微塑料汙染研究，以防範生態與食物鏈風險；並建議未來我國應加快土壤微塑料分析方法的建立，儘快部署開展土壤環境微塑料汙染與治理研究，探明微塑料、添加物質及其降解產物在土壤環境中的積累、釋放、轉化及其生態環境效應，評估微塑料及其複合汙染物對土壤生態系統、食物鏈和人體健康的風險，建立土壤微塑料汙染的源頭管控和修復技術體系，為土壤及陸地生態系統微塑料汙染監管和治理提供科學依據和技術支撐。
微塑料是指環境中粒徑小於5mm的塑料類汙染物，包括碎片、纖維、顆粒、發泡、薄膜等不同形貌類型。微塑料汙染已成為全球性的環境問題，尤其在海洋和潮灘環境中微塑料的來源、豐度、環境行為及生態效應受到普遍關注。
最近研究表明，陸地尤其是土壤中微塑料汙染也應該引起足夠重視；有的研究者指出，陸地中存在的微塑料豐度可能是海洋的4-23倍，農地土壤中每年輸入的微塑料就遠超過向全球海洋中的輸入量。
迄今，為數不多的幾例調查數據顯示，土壤中存在相當高含量的微塑料汙染。例如，Fuller和Gautam對澳大利亞雪梨某工業區土壤調查表明，微塑料含量達到0.03%-6.7%；有的研究者甚至認為，一些塑料汙染熱點地區土壤中微塑料含量可能高達60%。在瑞士的洪泛平原調查也發現，90%的土壤樣品中存在微塑料汙染，其汙染水平與流域人口密度相關，顯示人類活動對土壤微塑料汙染的貢獻。
有報導認為，我國是塑料垃圾的排放大國，僅沿海地區，估計每年排放塑料垃圾高達132-353萬噸，排放量在全球居首位。目前，在國內雖然對濱海潮灘土壤中微塑料的類型、豐度及分布有調查研究，但對農田土壤中微塑料汙染狀況的報導僅有2篇。因此，亟待加強農用地土壤中微塑料的來源、分布及生態與食物鏈風險等研究，為我國農田土壤微塑料汙染的風險管控與治理提供科學依據。
1、土壤中微塑料的來源
1.1 汙泥的土地利用帶入微塑料
國際上對汙水處理廠中微塑料的調查發現，約90%的微塑料在汙水處理後積累到汙泥中。在美國、德國、芬蘭和瑞典等國的一些城市汙泥調查也表明，汙泥中微塑料含量範圍為1500-24000個/kg。
Li等在調查我國11個省28個汙水處理廠79個汙泥樣品中發現，汙泥中微塑料的含量範圍在1600-56400個/kg，平均值在22700±12100個/kg，這與國外情況類似。目前，常規汙泥預處理方法（如石灰穩定、厭氧發酵、加熱幹化等）難以有效去除微塑料。因此，將這些汙泥作為肥料施入土壤後會導致土壤中微塑料的積累。
根據北美和歐洲汙泥農用情況進行估算後認為，北美地區每年通過汙泥農用進入土壤中的微塑料量為6.3-43萬噸，歐洲為4.4-30萬噸。該數據已經遠遠高於全球海洋中每年9.3-23.6萬噸微塑料的輸入量。我國每年的汙泥產生量約在3000-4000萬噸，農業利用率雖然不到10%，但仍在逐年增加。顯然，汙水汙泥的土地利用是農用地土壤中微塑料的重要來源。以往，對汙泥農用過程中重金屬、持久性有機物、抗生素、病原菌及寄生蟲卵等有毒有害物質在土壤-植物系統中的積累及其危害開展了較多的研究，但對微塑料的土壤汙染問題還缺乏研究與了解。
1.2 有機肥長期施用積累導致土壤微塑料汙染
有機肥在農業生產中已經成為不可或缺的肥料，在設施農業中施用量更大。相比於汙泥，有機肥中微塑料及其通過農用輸入到土壤中的數據更少。目前僅有3例關於有機肥中塑料汙染的報導。其中，Bläsing和Amelung比較了德國波恩某有機肥加工廠的3個有機肥樣品，發現肉眼可見的塑料碎片（粒徑>0.5mm）含量在2.38-180mg/kg；而在斯洛維尼亞的調查中發現，有機肥中塑料含量更高，達到1200mg/kg。Weithmann等觀測到粒徑大於1mm的約有14-895個/kg。
上述3例報導都是針對有機肥中粒徑0.5mm以上的塑料碎片，對關注度更高的更小粒徑的微塑料汙染狀況還不得而知。可以預料，有機肥中粒徑<0.5mm的微塑料特別是微納米級的微塑料的豐度會更高。我國是有機肥生產和使用大國，僅商品有機肥的年生產量就在2500萬噸以上，實際施用量在2200萬噸左右。如果按照目前有機肥中調查的微塑料含量來估算，我國農田土壤中每年投入微塑料量在52.4-26400噸，若考慮到粒徑<0.5mm的微塑料含量以及有機肥產量和施用量的逐年增幅，其數量會更高。因而，有機肥施用是農田土壤中微塑料積累的又一個重要途徑。
1.3 農用地膜殘留分解形成微塑料汙染
我國農用塑料薄膜使用量在2015年達到260.36萬噸，其中地膜使用量為145.5萬噸，約佔世界地膜使用總量90%；地膜覆蓋面積達到1833萬公頃以上，但農田地膜回收率不到60%。農用地膜的主要成分是聚乙烯（PE），包括高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）和線性低密度聚乙烯（LLDPE）；聚氯乙烯（PVC）膜因其高毒性在美國已被禁用。
總體上，中國使用的農用地膜的厚度與歐洲、日本等發達國家相比要薄得多，個別地區使用地膜厚度甚至小於0.005mm，而發達國家通常要求地膜厚度在0.02mm以上。地膜厚度小，一方面帶來回收不易，另一方面易老化、碎片化嚴重；殘留的地膜在土壤中更易形成微塑料汙染，同時還易釋放酞酸酯等增塑劑汙染物。殘留地膜會分解形成塑料碎片甚至微塑料。因此，地膜殘留分解是農用地土壤中微塑料的又一個重要來源。
1.4 大氣微塑料沉降進入地表土壤
土壤除了可以接納來自汙泥、有機肥和地膜殘留的微塑料，還可以接納通過大氣沉降進入的微塑料。周倩等首次報導了我國濱海城市大氣環境中微塑料的類型、沉降通量及季節性變化特徵，其中大氣微塑料沉降通量可達1.46×105個/(m2a)，纖維類達1.38×105個/(m2a)，不同類型微塑料的沉降通量變幅在0-6.02×102個/(m2d)，以纖維類的最高。Dris等對2500平方公裡的巴黎城市聚集區中大氣微塑料的調查也發現，微塑料的類型上多是纖維類，每年通過大氣沉降到該區域的纖維類微塑料大約在3-10噸。因此，大氣沉降是表層土壤微塑料的一個汙染源。
1.5 地表徑流、灌溉將微塑料帶入土壤
流域水灌溉、地表徑流或滲透也是土壤中微塑料的來源途徑。Zhao等調查發現，在長江口水表面漂浮的微塑料豐度達4137.3±2461.5個/m3；Di和Wang在長江流經的重慶至宜昌江段水體中發現微塑料豐度為4703±2816個/m3；即使在偏遠的內陸湖泊沿岸也有大量微塑料的存在，農用水灌溉及地表徑流都會將微塑料帶入土壤中。此外，汙水中也含有大量的微塑料，這些含有微塑料的汙水，雖然經過汙水處理廠處理後排放，但由於微塑料粒徑小，在處理過程中沒有起到完全攔截作用。
Lares等報導，汙水處理廠的汙泥經活性汙泥法和生物膜反應器法處理後，水樣分別含有1.0個/L和0.4個/L的微塑料。Gies等估算，在加拿大溫哥華最大的汙水處理廠，經處理後的汙水中的97%-99%微塑料都被截留，但每年仍有300億個微塑料通過汙水排放釋放到環境中。生活及工業汙水的排放會通過地表徑流或灌溉等方式進入土壤，造成土壤中微塑料的積累。
2、土壤生態系統中微塑料的降解及環境風險
2.1 土壤生態系統中微塑料的降解特徵
土壤中的微塑料在光照、高溫氧化、物理侵蝕和生物降解等作用下會發生聚合物分子化學結構變化，包括聚合物分子鏈斷裂、歧化、表面含氧官能團（如酯基團、酮基團等）的增加等。
周倩等對潮灘微塑料表面鑑定發現，不同微塑料的表面不僅有微孔、裂紋等聚合物分子鏈斷裂的特徵，同時表面含氧、含氮官能團增加；譬如，採用裂解-氣相色譜質譜聯用儀分析到微塑料風化表面中出現ɑ-N-去甲基美沙醇、1,1-二苯基-螺-己烷-5-羧酸甲酯、棕櫚酸十八酯等物質。類似的表面變化也發生在不同類型的潮灘微塑料（LDPE、PET、PVC）上。這些表面變化意味著微塑料發生降解，並可使其變為更小粒徑的微塑料甚至納米塑料。但是，相對於海洋表面和潮灘環境，微塑料在土壤中由於受到光屏蔽效應和低氧化環境作用，降解效率會較低，從而導致更長時間的殘留。如聚丙烯（PP）塑料在土壤中培養1年後僅有0.4%被降解，而PVC塑料在土壤中35年都沒有降解。
近年來，陸生生物對微塑料降解作用的研究有明顯進展。Yang等發現黃粉蟲能夠吃掉聚苯乙烯發泡塑料，並進一步通過對黃粉蟲的腸道微生物進行研究發現，從黃粉蟲腸道中分離出的腸道菌株YT2具有降解聚苯乙烯發泡塑料的能力。蚯蚓腸道中也分離出能夠降解土壤中低密度聚乙烯塑料的細菌，包括放線菌和厚壁菌等革蘭氏陽性細菌，並且檢測到十八烷烴、二十二烷烴等降解產物。
2.2 土壤生態系統中微塑料的遷移與環境風險
進入土壤後，微塑料在植物根系、生物和機械擾動作用下會發生遷移。目前對生物擾動驅動下微塑料遷移研究較多。例如，土壤中的蚯蚓（L.terrestris）可將60%以上的聚乙烯小球從表層向下遷移至10cm以下的土層，其中小粒徑（710-850µm）微塑料要比大粒徑更容易遷移。
Lwanga等研究也顯示微塑料會隨蚯蚓遷移至其洞穴中，並且蚯蚓對微塑料的遷移也具有粒徑選擇性，其中粒徑<50µm的PE小球要比其他大粒徑更容易遷移。除蚯蚓外，彈尾目昆蟲白符跳（Folsomiacandida）和小原等節跳（Proisotomaminuta）也能將樹脂顆粒（100-200µm）和纖維從表層土壤遷移至下層。微塑料在蚯蚓驅動在土體內部的遷移可能會影響土壤團聚體結構和功能，從而影響土壤水分和養分的運移。
微塑料除了受擾動後在土體內遷移外，還可通過侵蝕、地表徑流等形式向土體外遷移至水體，甚至進一步遷移進入海洋環境。Nizzetto等以倫敦泰晤士河流域為例，採用INCA-汙染物理論模型首次模擬了通過汙泥農用進入到土壤中的微塑料遷移到水體中的比例，發現殘留在土壤中的微塑料比例為16%-38%，其餘大部分微塑料最終會從土壤中遷移進入水體，成為水環境中微塑料汙染的來源。因此，土壤不僅是微塑料的「匯」，也可以是水環境微塑料的「源」。
3、 土壤生態系統中微塑料的生物積累與生態及食物鏈風險
土壤生態系統中微塑料暴露的生物積累與毒性效應研究剛剛起步。有研究發現，蚯蚓（L.terrestris）可以攝入和排出微塑料，其排出的微塑料具有粒徑選擇性，如<50µm的小粒徑微塑料更容易被排出；同時，蚯蚓在受到高含量（>28%）PE微塑料暴露後，其生長受到明顯抑制，致死率也顯著增加，但繁殖率沒有受到影響；而對另一種土壤動物--白符跳的研究發現，受PVC微塑料顆粒（80-250µm）暴露後，其體內腸道菌群發生改變，同時生長和繁殖也受到明顯抑制，並且通過δ15N和δ13C值指示可以看出，其攝食行為發生改變。
土壤中的微塑料也可通過食物鏈發生傳遞、富集，帶來健康風險。Lwanga等首次報導了微塑料在庭院土壤-蚯蚓和土壤-雞食物鏈中的傳遞，發現微塑料從土壤到蚯蚓糞的富集係數可達12.7，而從土壤到雞糞的富集係數更是高達105。此外，該研究同時也觀測到雞的砂囊中也有微塑料富集，富集係數達5.1。由於砂囊通常作為食材使用，因此，需要關注該暴露途徑下微塑料對人體健康的影響。
對土壤中微塑料能否進入植物體內還尚未有報導。Qi等研究了低密度聚乙烯（LDPE）和可生物降解塑料地膜碎片對小麥生長的影響，表明2種塑料膜都會干擾小麥的生長，且可生物降解塑料膜對小麥生長影響更大。Bandmann等通過對菸草細胞的培養研究表明，納米級塑料微珠可通過細胞內吞作用進入菸草細胞。這表明小粒徑的納米級塑料有可能通過植物根際吸收進入植物體內，但還需要通過植物培養試驗進行證實。
4、未來研究方向與風險防範對策
在2015年召開的第二屆聯合國環境大會上，微塑料作為一種新型環境汙染物，其汙染被列入環境與生態科學研究領域的第二大科學問題，成為與全球氣候變化、臭氧耗竭等並列的重大全球環境問題。在國內，科技部在2016年啟動了「海洋微塑料監測和生態環境效應評估技術研究」的重點專項。
相對於海洋生態系統，土壤及陸地生態系統中的微塑料汙染及其生態、食物鏈及健康風險問題還未受到足夠重視。土壤生態系統作為地球表層生態系統中物質交換和能量轉換的主要單元和中心樞紐，其在承納地表系統中的微塑料汙染以及向海洋系統輸入微塑料等方面都具有重要作用。因此，亟待揭示土壤生態系統中微塑料汙染規律，發展土壤微塑料分析、評估方法與管控修復技術，為陸地生態系統微塑料汙染治理提供科學依據和技術支撐。
4.1 建立和完善土壤中微塑料的分離和分析方法
由於受到土壤質地、有機質及團聚體結構的影響，因而從土壤中分離和鑑定微塑料要比水和沉積物中更加困難。當前，土壤中微塑料的分離主要是借鑑沉積物中分離微塑料的相關方法，比如採用密度分離、氣浮等方法。最近，也有研究者提出採用加壓流體萃取（PFE）的方法進行土壤中微塑料的分離。該方法儘管能夠定量分析土壤等複雜基質中微塑料的含量，但它無法獲取樣品中微塑料的粒徑、形狀、表面形貌特徵等物理信息。
還有研究者使用可見光-近紅外光譜、高光譜成像和化學計量方法對土壤中微塑料進行快速的預測和鑑定，但這些方法仍有較多局限性，如存在鑑定範圍窄、精度不夠高等問題。因此，鑑於土壤性質的多樣性和微塑料物理、化學性質的複雜性，有必要針對不同性質土壤開展不同類型微塑料的分離與鑑定的方法學研究，並建立技術規範。
4.2 評估微塑料中化學添加劑在土壤環境中可釋放性，防範環境風險
塑料在生產和加工過程中會加入大量的添加劑，比如增塑劑、阻燃劑、抗氧化劑、光熱穩定劑等。這些化學物質通常是通過物理混合加入到聚合物結構中，因而非常容易在環境中釋放成為新的汙染來源。
Zhang等曾經報導從潮灘微塑料樣品中提取到多種磷系阻燃劑和鄰苯二甲酸酯，其中磷系阻燃劑中的三（氯異丙基）磷酸酯（TCPP）可高達84.4μg/g。
Jang等也在聚苯乙烯發泡塑料中檢測到六溴環十二烷（HBCDs）阻燃劑，含量可高達5220μg/g。許多阻燃劑和增塑劑對人體都具有毒害作用，如：鄰苯二甲酸酯類和雙酚A具有內分泌幹擾作用，而含氯的磷系阻燃劑具有致癌作用；HBCDs由於具有持久性和神經毒性、發育毒性等多種毒性被列為新的持久性有機汙染物。這些疏鬆結合在塑料上的塑料添加劑經過紫外輻射、溫度、氧含量、土壤酸鹼性及可溶性有機質的影響下會被釋放到環境中。
在海洋環境中，已有研究發現聚苯乙烯發泡塑料會釋放HBCDs到環境中，並在貽貝體內富集。因此，在土壤環境中大量存在的微塑料會成為土壤中化學添加劑汙染的一個重要來源，但目前微塑料與添加劑的複合汙染物對土壤食物鏈安全、生態系統和人體健康的風險尚未評估。未來研究應重點關注不同土壤環境條件下微塑料化學添加劑的釋放規律，並評估它們與微塑料的複合汙染對土壤生態系統、食物鏈和人體健康影響的聯合效應。
4.3 系統認識微塑料汙染對土壤功能影響，發展源頭管控和環境降解修復技術
儘管一些研究表明微塑料對土壤中的蚯蚓、跳蟲等具有毒害作用，並且可能通過食物鏈進行傳遞、富集。但目前所研究的生物種類還很有限，所獲取的生物毒性數據還遠未滿足暴露風險評估的要求。因此，需要結合土壤生態系統的特點與實際的微塑料汙染類型，開展土壤中微塑料環境水平下多層次、多尺度的研究，包括：
①建立土壤中動物、植物和微生物的微塑料劑量-效應關係，為建立土壤微塑料風險評估方法和環境基準提供基礎數據。
②揭示土壤微塑料及其表面負載的化學汙染物在土壤生態系統、食物鏈或食物網中的傳遞與轉化規律，了解汙染成因，為建立生態風險評估和食物鏈風險評估提供科學依據。
③探明微塑料積累對土壤物理、化學和生物學性質的影響，進而分析這些影響對土壤養分和汙染物生物地球化學循環的改變的可能性，以評估微塑料對土壤生產功能和環境淨化功能的損害。
④基於上述認識和評估，研發微塑料汙染的源頭控制與降解修復的材料、方法和技術，構建土壤微塑料汙染風險管控與治理的技術支撐體系。
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