北極星環境修復網訊:導 讀：塑料已經成為現代社會不可或缺的產品而被廣泛應用，塑料汙染也成了一個全球性的環境汙染問題。近年來，土壤塑料汙染的問題也開始受到關注。本文針對近幾年來國內外關於塑料汙染對土壤生態系統的影響進行綜述，主要包括以下幾個方面：
（1）微塑料對土壤物理化學性質的影響；
（2）微塑料對土壤微生物群落的影響；
（3）微塑料與土壤動物的相互作用。
最後，本文對未來關於土壤微塑料研究的重點方向進行了展望。
文/朱永官，朱冬，許通，馬軍（中國科學院城市環境研究所，中國科學院城市環境與健康重點實驗室）
來源：《農業環境科學學報》2019年1期
我們現在身處一個「塑料」的時代，塑料產品被廣泛應用於各領域，其產量和廢棄量逐年遞增。在歐洲，包裝領域需求塑料最多，佔總重量的40%，其次為建築、汽車、電器、農業等領域。全球塑料產量從1950年的200萬t增加到2015年的3.8億t，總產量達78億t（中國產量約佔28%），其中9% 的塑料被回收，79%的塑料被填埋或者遺棄在自然界中。自1992年至2016年，全球生活源廢塑料貿易量為2.4億t，中國進口量佔72%，對全球的廢塑料回收做出了巨大貢獻。
塑料的大量使用已經導致環境中塑料及其衍生品對大氣、海洋和陸地環境造成汙染。2012年全球因生產和使用塑料產品而排放的二氧化碳（不包括填埋和焚燒）達3.9億t。大量塑料被隨意丟入湖泊、河流並匯入海洋，並通過運動的洋流在世界五個地區集中，形成世界的「海洋垃圾帶」。這些塑料碎片已對海洋生態造成威脅，甚至將可能產生不可逆的影響。研究表明，2010 年沿海國家和地區共產生約2.8億t塑料垃圾，其中480 萬~1270 萬t塑料流入海洋，中國的排放量遠高於全球其他地區，約為美國的30倍。儘管我們對Jambeck等研究的模型和方法持懷疑態度，但研究的結論已成為發達國家對我國進行指責與攻擊的依據，給我國造成巨大壓力。
大塊塑料經紫外線照射、碰撞磨損或工業生產等方式，形成粒徑小於5 mm 的固體顆粒被稱為微塑料，也有學者提出粒徑小於1 mm 才稱為微塑料。微塑料具有不溶性和持久性，根據形態主要分為球形顆粒、薄膜、碎片和纖維。隨著研究的深入，微塑料的分類將越來越精細，粒徑更小的微塑料也將被重新定義。汽車輪胎磨損、日常生活和洗衣、工業過程（如打磨）、表面磨損和塑料塗料（如人造草皮和聚合物塗料）是微塑料的主要產生方式，因其能夠進入食物鏈，進而可引發嚴重的環境和健康問題。海洋受微塑料影響最為直接，在牡蠣等海洋生物體內已發現微塑料顆粒，人類糞便中也已發現微塑料。土壤中（微）塑料的汙染也十分普遍，主要通過農膜的大量使用和廢棄物的循環利用等途徑進入。德國科學家Rillig是世界上最早關注土壤微塑料汙染的學者之一，他指出微塑料進入土壤後，積累到一定程度則會影響土壤性質、土壤功能及生物多樣性。隨後，一些學者進行了相對深入的研究，發現土壤中的微塑料對水分、養分的運輸和作物生長均有不良影響。
關於土壤塑料汙染今年已有綜述論文，他們比較全面地論述了相關的研究進展，總體比較宏觀。本文主要結合最新的國內外研究進展，從土壤生物學的視角綜述了微塑料汙染對土壤生態系統的影響，並提出了未來的一些研究重點和方向，為開展微塑料汙染的土壤生態效應的相關研究提供參考。
1 微塑料對土壤物理化學性質的影響
微塑料通過長期的農用地膜殘留、有機肥和汙泥的施用、地表水灌溉和大氣沉降等方式進入土壤環境。在我國上海城郊淺表層（0~3 cm）和深表層（3~6cm）土壤中，分別發現粒徑為20~5 mm的微塑料豐度達到78.00個·kg-1土和62.50個·kg-1土，而粒徑為5~2cm的塑料豐度達到6.75個·kg-1土和3.25個·kg-1土，且有48.79% 和59.81% 的塑料粒徑小於1 mm。在滇池周邊的農田和河岸森林土壤中也發現微塑料豐度達7100~42 960個·kg-1土（平均18 760個·kg-1土），且95% 的微塑料粒徑在0.05~1 mm 之間。在歐洲農田中，汙泥施用使得土壤中微塑料顆粒達到1000~4000個·kg-1土。在澳大利亞雪梨工業區土壤中微塑料含量高達0.03%~6.7%。這些進入土壤中的微塑料，在長期的風化作用、紫外照射及其與土壤中其他組分的相互作用下，表面逐步老化、粗糙，顆粒或碎片裂解，粒徑變小，比表面積增大，吸附位點增加，表面官能團增多，疏水性增強，辛醇/水分配係數升高，在土壤pH、鹽度、有機質和離子交換等複雜因素的調控下，對土壤中重金屬和多環芳烴、多氯聯苯、農藥、抗生素等有機汙染物的吸附能力顯著增強，從而改變土壤的理化性質，影響土壤生態系統健康。
微塑料進入土壤可以影響土壤的結構及其他物理性質。de Souza Machado 等研究發現，在環境相關濃度下，微塑料可以影響土壤容重、水力特徵以及團聚體的變化。此外，不同微塑料的影響存在較大差異，如聚酯顯著降低土壤水穩性團聚體，而聚乙烯則可以顯著提高土壤水穩性團聚體的量。一項雲南的野外調查研究發現，70%以上的微塑料顆粒和土壤團聚體相結合，特別是和微團聚體結合。但是目前還缺乏有關塑料汙染與土壤團聚體相互作用的長期和原位研究，因此尚無法判斷塑料汙染對土壤水分運移和水土保持的影響。
1.1微塑料對重金屬的吸附
近年來，一些研究已經證明：微塑料進入土壤環境會與重金屬發生地球化學作用。耕地、林地是農用地膜使用和施肥灌溉的主要區域，Hodson等研究了高密度聚乙烯對農林用地土壤中Zn2+的吸附行為，他們發現，在含有更加豐富的有機質林地土壤中，高密度聚乙烯對Zn2+的吸附能力更強，且吸附行為符合Langmuir 和Freundlich 方程。土壤中微塑料的老化對其吸附重金屬也有顯著的影響，Nicole等將高密度聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯（微米級的再生塑料顆粒）暴露在人工老化條件（2000 h；光氧化和熱氧化）下模擬它們在戶外的老化過程後，用柱滲濾試驗研究發現了微塑料老化不僅明顯增加了其對TOC、Cl、Ca、Cu、Zn的吸附，而且也減弱了重金屬的解吸和釋放作用，表明老化的微塑料對重金屬具備更強的固定能力。Turner等利用新鮮和老化的微塑料小球吸附痕量金屬的研究也表明，金屬對老化塑料具備更強的親和力。此外，土壤中的官能團吸附到微塑料表面，可能對其吸附重金屬有一定影響，Kim 等對官能團包被的聚苯乙烯吸附Ni的研究表明，官能團改變微塑料和重金屬表面的疏水性，從而影響其對重金屬的吸附。因此，微塑料一旦進入土壤且被風化老化，在土壤複雜環境的影響下，其將成為重金屬的有效載體固定在土壤環境中，可能損害土壤生態系統健康。
1.2 微塑料對有機汙染物的吸附
多環芳烴、多氯聯苯、殺蟲劑、除草劑和抗生素等有機汙染物是影響土壤生態系統健康的另一類重要因素。近年來，學者們普遍認為微塑料在環境中扮演著汙染物遷移載體的角色。Heskett等對太平洋、大西洋、印度洋和加勒比海區域的孤島微塑料吸附有機汙染物的研究發現，即使是不同環境背景濃度的PCBs、DDTs、HCHs也可被微塑料吸附。汙染物的疏水性直接影響其在微塑料表面的吸附，Hüffer等研究了4種微塑料（PE、PA、PS和PVC）對7種脂肪族和芳香族有機物的吸附作用，他們發現PE的吸附主要在於固液相的分配平衡，而PA、PS 和PVC 對有機汙染物的吸附以表面吸附為主導，並發現微塑料的吸附能力與汙染物的疏水性緊密相關，揭示了疏水作用是影響微塑料吸附性的主要因素。Sven 等在pH=4、7、10的條件下，用兩種微塑料顆粒（聚乙烯和聚苯乙烯）吸附19種不同的汙染物（農藥、藥品和個人護理產品），結果也證明相比於中性物質，疏水化合物更易於吸附到塑料顆粒。環境中微塑料的老化風化對有機汙染物的吸附也有很重要的影響，Zhang等將環境中風化老化的發泡聚苯乙烯作為吸附劑對土黴素的吸附進行研究發現，相比於新鮮塑料，環境中發泡微塑料對抗生素的吸附能力更易受pH的影響，有機質的存在影響抗生素與微塑料之間的靜電作用，並且能夠調控兩者的吸附。此外，氫鍵和多價陽離子橋接、π-π作用對微塑料吸附抗生素具有重要的調控能力。綜上，土壤中的有機汙染物會被微塑料所吸附，並且複雜的土壤環境條件對微塑料的吸附具有很強的調控能力。
1.3 微塑料對微生物的吸附
微生物對土壤生態系統健康至關重要。隨著研究的逐步深入，人們開始擔憂微塑料可能成為致病菌等有害微生物的運輸載體，影響土壤生態系統健康。已有研究表明，微塑料可為微生物提供吸附位點，使其長期吸附在微塑料表面，形成生物膜，影響土壤微生物的生態功能。而且，伴隨微塑料的遷移，微生物會擴散到其他生態系統，改變生態系統的菌群和功能。
Oberbeckmann等研究了不同環境條件（包括營養水平）對聚苯乙烯、聚乙烯表面細菌群落的組成和特異性的影響，發現雖然大部分致病菌沒有被微塑料吸附，但表明了汙水處理廠中微塑料是抗生素抗性基因水平轉移的載體。但總體來說，目前關於土壤中微塑料對微生物的吸附和微生物在微塑料表面生長的研究還很少，有待進一步拓展和深入。
2 微塑料對土壤微生物群落的影響
在海洋塑料汙染方面，Zettler等提出塑料際的概念。他們利用電子掃描電鏡和下一代高通量測序等手段揭示了塑料表面存在複雜的微生物群落，甚至存在一些潛在的病原菌。在陸地生態系統中目前還缺乏類似的研究。他們的測序數據顯示，不同塑料表面的微生物類群與海水的微生物組成具有很大的差異。關於塑料汙染對土壤微生物群落影響的研究還較少，目前主要集中在塑料覆膜對微生物群落的影響以及微生物對塑料的降解上。如Jin等長期定位研究表明，塑料覆膜顯著提高玉米秸稈的降解，提高土壤有機碳的積累。Sun等研究設施栽培土壤中表面活性劑和微塑料汙染對土壤細菌和噬菌體相關的抗生素抗性基因的影響，發現這種影響還沒有明確的規律性。塑料汙染是如何驅動抗性基因的傳播也缺乏機理性的研究，需要深入的探討。Qian等近期的研究顯示，覆膜塑料的殘留可以顯著降低土壤中碳氮循環相關基因的表達，從而降低土壤碳氮含量，影響土壤肥力。
塑料的化學成分在塑料降解過程中釋放，從而造成土壤汙染，其中比較典型的是鄰苯二甲酸酯。Kong等研究表明，隨著土壤中二丁基鄰苯二甲酸酯含量的提高，土壤微生物多樣性下降。Wang等研究了土壤中二甲基鄰苯二甲酸酯汙染對黑土中微生物功能的影響，他們發現這類汙染物增加了土壤中一些功能基因，包括信號傳導基因和與二甲基鄰苯二甲酸酯降解有關的一些基因的表達，並認為這些基因表達的增加可能導致土壤中碳氮循環的加快，可能不利於黑土肥力的維持。
3 微塑料與土壤動物的相互作用
3.1 微塑料對土壤動物的影響
微塑料汙染能在多個方面影響土壤動物。首先，由於微塑料微小的尺寸，它能夠被土壤動物攝食，因此可能在土壤食物鏈中累積，從而影響各營養級的土壤動物。多項關於蚯蚓的研究已經表明，微塑料能夠被蚯蚓取食，且影響其成長、存活和造成腸道的損傷。Rillig等總結早期的研究發現，土壤原生動物如纖毛蟲、鞭毛蟲和變形蟲等能夠攝食微塑料顆粒，且提議微塑料對其的影響需要得到更大的關注。特別值得注意的是，變形蟲是濾食動物，其可能誤食土壤孔隙水中的微塑料顆粒。在對土壤跳蟲的研究中，Zhu等發現，28 d土壤微塑料暴露（1 g微塑料·kg-1 幹土）顯著減少跳蟲的繁殖率和成長率，增加其體內碳氮同位素的分餾。值得關注的是，近期對線蚓的研究表明，低濃度納米塑料急性飲食暴露（0.5%納米塑料/麥片）可顯著增加其繁殖率，但隨著暴露濃度的增加，繁殖率隨之下降且其生物量顯著降低。對秀麗隱杆線蟲的研究表明，微塑料能夠影響其神經毒性、氧化損傷、繁殖率、成長和存活率，且微塑料粒徑的影響大於微塑料種類的影響。但這些研究主要集中於微塑料對模式動物的影響，對實際土壤動物影響的關注還不足。最近，微塑料對土壤動物腸道微生物的影響引起了大家的關注。一項關於跳蟲的研究表明，微塑料的土壤暴露破壞了其腸道微生物的群落結構，但顯著增加了其腸道微生物的多樣性。Zhu等關於線蚓腸道微生物的研究也發現低濃度納米塑料的飲食暴露可增加其腸道微生物的多樣性，但隨著暴露濃度的增加，多樣性隨之下降且腸道微生物的群落結構被改變。由於納米塑料的暴露，在線蚓腸道中與氮循環和有機質分解相關的微生物（根瘤菌科和黃色桿菌科等）的相對豐度也顯著下降。一項對墨西哥東南部傳統瑪雅家庭花園的調查研究發現，微塑料濃度在土壤（0.87±1.9個·g-1）、蚓糞（14.8±28.8個·g-1）和雞糞（129.8±82.3個·g-1）中逐級增加，這暗示微塑料能夠進入陸生食物鏈並在其中累積。Rillig也認為土壤微型/中型動物能夠取食微塑料並在其土壤碎屑食物鏈中傳遞累積。但由於檢測手段的限制，關於微塑料在土壤食物鏈中傳遞的認識仍十分有限。而且，微塑料通過改變土壤動物的棲息環境間接影響土壤動物的活動。微塑料可能堵塞土壤的孔隙，從而影響土壤中型動物的活動。凋落物中混雜微塑料將影響大型土壤動物（如蚯蚓等）的取食。一項室內模擬實驗表明，微塑料汙染的凋落物將影響凋落物對蚯蚓的適口性。此外，微塑料表面吸附的一些汙染物質也會增強它們對土壤動物的影響，如Hodson等研究發現，微塑料提高了蚯蚓體內鋅的生物有效性。
3.2土壤動物對微塑料的影響
在土壤生態系統中，土壤動物能夠影響微塑料的二次分解與遷移擴散。在大型食土動物蚯蚓的胃中，誤食的塑料碎片可能被磨碎成微塑料。多項研究表明，相比於土壤或食物，在蚓糞中能檢測到更小粒徑和更高濃度的微塑料顆粒。隨著蚯蚓的活動，其取食的微塑料顆粒能通過表面附著、排洩和死亡軀體等形式擴散到其他區域。比如，土壤表面的微塑料被蚯蚓取食後將會通過蚯蚓的活動帶入深層的土壤中。此外，蚯蚓活動所形成的土壤孔隙也將有利於微塑料隨著水分向下層土壤遷移。跳蟲、蟎蟲等其他中型土壤動物也可以通過表面附著，抓、推等形式加速微塑料在土壤中的遷移。Maaß 等研究發現，跳蟲能夠加速微塑料的擴散，且不同種類跳蟲移動微塑料的能力不同。Zhu等的研究表明，相比於跳蟲與捕食蟎，甲蟎具有更強的移動微塑料的能力。此外，個體小於0.2 cm的土壤微節肢動物能夠移動微塑料顆粒到9 cm 以外的區域。由於跳蟲與蟎蟲個體較小，能夠進入土壤孔隙中，隨著它們的活動也將把微塑料顆粒帶入土壤孔隙中，從而可能影響土壤水分和養分的遷移，同時增加微塑料進入地下水的風險。值得注意的是，一項涉及跳蟲與捕食蟎的研究表明，土壤食物鏈中捕食與被捕食的聯繫可以增加跳蟲與捕食蟎移動微塑料的能力，暗示了在複雜土壤食物網中，土壤動物對微塑料的影響需要更多地考慮動物之間的聯繫。
4 結論與未來研究方向
塑料汙染是一個全球性的問題，但目前的研究還比較分散，未來還需要一些系統性的思考。關於塑料汙染對土壤生態系統的影響，未來需要特別關注以下問題：
（1）塑料汙染對土壤生態系統功能的影響。儘管目前已經開展了土壤塑料汙染的研究，但是尚未深層次地探索塑料汙染對土壤過程和功能的影響。未來需要探明塑料汙染對土壤養分循環和土壤健康的影響，探明微塑料及其成分對土壤微生物功能群和功能基因的影響。
（2）土壤生物對塑料降解的影響及其機理，特別是微生物以及土壤動物腸道微生物對塑料降解的影響。在生物降解研究的基礎上，未來需要發展生物修復技術，以緩解陸地生態系統塑料汙染的問題。
（3）需要關注塑料製品中其他化學品對土壤生態系統的影響，包括塑化劑和阻燃劑等。這些化學物質在塑料降解過程中被釋放出來，需要探明這些化學物質的行為、毒理效應以及在食物鏈中的積累機制等。
（4）塑料在土壤中作為微生物生長的載體，形成生物膜。未來需要探明塑料表面的微生物群落和功能，以及塑料生物膜對土壤微生物群落和過程的影響。
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