微塑料對高等植物生長發育影響研究進展

紀 紅 ， 陳修文 ， 趙宏利 ， 岳茂峰

(1. 廣東石油化工學院理學院， 茂名 525000； 2. 中國科學院廣州地球化學研究所/有機地球化學國家重點實驗室， 廣州 510640；3. 廣東石油化工學院生物與食品工程學院， 茂名 525000； 4. 嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室茂名分中心， 茂名 525000)

微塑料(<5 mm)作為新興持久性有機污染物，廣泛存在于不同的環境介質中。由于其顆粒小、數量多、分布廣且易被生物體攝食，可能構成生態風險，目前已引起人們的高度關注[1-2]。在以往的研究中，中外學者對微塑料污染的研究主要集中在海洋和水生生態系統[3-4]，且研究表明微塑料可被海洋生物攝食吸收，對海洋生態系統造成負面影響[5-6]。近年來，微塑料對陸地生態系統的污染成為研究熱點。研究發現，微塑料在陸地生態系統中廣泛存在，它們不僅出現在人類活動集中的城市工業區[7]和農業生態系統[8]，而且也存在于偏遠的山區，并影響著生態系統中環境與生物之間的關系[9]。微塑料進入土壤后可直接影響土壤結構及其理化性質[10-12]，也可在土壤動物搬運或攪動等行為下影響土壤結構和微生物功能，進而影響植物生長[13-14]。受檢測技術的限制，微塑料對生態系統的影響直到近年來才逐漸被重視，微塑料對高等植物生長發育影響的研究被陸續報道[10,15]。當前的研究表明，植物暴露在一定量微塑料中，其生長及生理特征會受到一定程度的影響。這些微塑料的類型包括常見的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯(PEHD)、聚丙甲基烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯塑料微球(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚酯纖維(PES)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等，其以顆粒狀或纖維狀存在，粒徑從毫米級到納米級都有分布，主要以微米級和納米級為主。目前研究的植物既有水生植物如浮萍(Lemnaminor)[16-17]、大型沉水植物狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)[18]和滸苔(Ulvaprolifera)[19]，也有陸生高等植物如水稻(Oryzasativa)[20]、黃瓜(Cucumissativus)[21]、小麥(Triticumaestivum)[12, 22-23]、生菜(Lactucasativa)[24]、洋蔥(Alliumcepa)[10]、蠶豆(Viciafaba)[25]、水芹(Lepidiumsativum)[26]、黑麥草(Loliumperenne)[27]、擬南芥(Arabidopsisthaliana)[28]及車前草(Plantagodepressa)[29]等。但是微塑料對高等植物生長發育影響及機制的系統性綜述總結還未有報道。

基于此，現綜述近年來關于土壤微塑料對高等植物生長和生理特性影響的研究，通過總結分析微塑料影響植物生長發育的主要因素及影響機制，探討微塑料對高等植物的干擾可能引發的生態風險，為微塑料的污染防控提供科學依據。

1 微塑料的分離及檢測

不同環境中微塑料的分離檢測目前還未有統一標準。微塑料的分離主要是依靠物理方法來實現，如密度法、過濾或篩選法等[30-32]。常規用于不同環境中微塑料的檢測方法主要包括兩大類，一是物理表征分析，如目視分析法、光學顯微鏡法、電子顯微鏡法、X射線近邊吸收光譜(μ-XANES)、共焦拉曼顯微鏡(CRM)、掃描透射X射線顯微鏡(STXM)、傅里葉變換紅外顯微光譜技術(SR-FT IR)、太赫茲光譜技術等；二是化學表征分析，如氣相色譜-質譜法(Py-GC-MS)、等離子體質譜儀(ICP-MS)、光消融電感耦合等離子體質譜(SP-ICP-MS)、激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜法(LA-ICP-MS)、納米二次離子質譜技術(NanoSIMS)等[32]。目前還未有專門針對高等植物中微塑料的分離技術，高等植物中微塑料的研究主要以模擬試驗的方式來追蹤其分布。

2 微塑料對高等植物生長發育影響概述

微塑料的存在對植物生長及生理特征具有顯著影響。植物可以吸收、轉運、積累和轉化微塑料顆粒，并將其傳播至食物鏈中(表1)。微塑料對植物生長發育影響的研究主要集中在兩個方面，一是微塑料對植物發芽的影響。研究表明，微塑料對種子發芽具有抑制作用，微塑料及其中的增塑劑可以抑制小麥種子的萌發，甚至導致其死亡。Bosker等[26]觀察到暴露在不同濃度微塑料中水芹種子的發芽率均有不同程度降低；類似的現象在黑麥草種子發芽研究中也被發現[27]，這些結果表明微塑料會抑制或延緩植物種子發芽。二是微塑料對植物生長和生理指標的影響。微塑料對植物生長和生理參數特征的影響主要表現在生物量、株高、葉面積、根系、根冠比、可溶性糖、葉綠素含量、光合作用等方面。微塑料可以影響植物生物量、元素組成、根系特征。例如，植物根系暴露在特定微塑料中，其生物量將有所增加，如小麥、洋蔥、黑麥草和水生植物狐尾藻等[10,18,22,27]。特定類型、特定尺寸和一定濃度的微塑料不僅會抑制植物的發芽，還影響幼苗的株高、根長和生物量，延遲植物分蘗及果穗，影響地上或地下生物量、葉面積、含水量及總生物量分配等，導致根莖變細，改變植物的功能性狀，從而影響植物生長和生理特性。例如，微塑料可顯著影響洋蔥生物量、含水量、地下水和總生物量分配[10]。微塑料可以進入生菜、蠶豆根部甚至莖、葉中，堵塞細胞連接或細胞壁孔隙，破壞營養物質轉運[24-25]。當微塑料濃度足夠大、粒徑足夠小時，可越過細胞壁、細胞膜等屏障，進入細胞內部，引發氧化脅迫，改變其養分、水分的吸收和運輸，影響植物的生長發育。但是，微塑料對高等植物的影響也不盡為負面，例如，Hernández-Arenas等[33]研究發現，含有一定量微塑料的污泥土壤可促進番茄植株的生長。

表1 微塑料對高等植物的影響

續表

3 微塑料影響高等植物生長發育的主要因素

微塑料對高等植物生長發育影響的研究主要從以下幾個方面開展。

3.1 微塑料類型對高等植物生長發育的影響

微塑料類型是影響植物生長和生理特性的主要因素，尤其對根系生物量的影響更加顯著。研究表明，暴露在可降解塑料膜來源的微塑料中，小麥所有生理生長參數均受顯著影響。微塑料可延遲并減少小麥的分蘗及果穗，降低地上部生物量，影響根系生物量，并降低小麥中的果實量及根冠比，降低葉面積及根莖直徑[12,22]。類似的現象在其他植物中也有發現，如洋蔥暴露在PA下其含水量和葉生物量顯著增加，在PA和PES下其總生物量會有所增加，在PES下其莖生物量將有所增加，在PEHD、PET和PP中其根系生物量則顯著降低[10]，但與對照相比，所有微塑料中洋蔥根系長度和表面積均有所增加。不同類型微塑料對黑麥草生長的影響也不同。聚乳酸微塑料(PLA)可抑制黑麥草的莖生長，高密度聚乙烯(HDPE)則促進黑麥草根系發育[27]。微塑料的存在也會降低葉綠素的含量。例如，暴露在聚苯乙烯納米塑料中斜生柵藻的葉綠素含量有所降低, 但是聚乙烯微珠對小水藻葉綠素含量無明顯影響[40]。Qi等[12]對比研究了低密度聚乙烯和生物降解微塑料對小麥生長的影響發現，可降解塑料地膜來源的微塑料對小麥的負面影響大于低密度聚乙烯；微塑料的存在將會導致豆角(Phaseolusvulgaris)的特定根長度/結節顯著增加，但是，相對低密度的聚乙烯微塑料顆粒、生物降解型微塑料明顯抑制豆角的枝條、根生物量和果實生物量[34]。

此外，特定類型的微塑料如聚酰胺(PA)的存在會導致氮的增加，影響土壤理化特征，從而影響植物生長特性。例如，洋蔥暴露在聚酰胺中，其葉片中的氮含量增加而在聚酯纖維中則降低，這是因為聚酰胺在降解時可成為氮的來源(尼龍和丙烯酸也含有氮原子)，而聚合物如聚酯、聚乳酸和高密度聚乙烯的原形態中通常缺失氮原子[10]。這些結果反映出微塑料可因類型差異而對高等植物生長造成不同的影響。

3.2 微塑料形態及尺寸對高等植物生長發育的影響

不同形態微塑料對植物生長的影響也不同。不規則形狀的微塑料相對球形微塑料對植物的負面影響更大，尖銳、鋒利的微塑料可通過機械損傷降低植物的根長和根細胞活力[16]。尺寸也是微塑料影響植物生長的重要因素。不同尺寸的微塑料附著在植物表面或被植物吸收的幾率不同，因而其對植物水分及養分的傳遞與吸收的影響也不同。尺寸更小的微塑料顆粒更容易被植物吸收，并累積在根、莖、葉中，其不僅阻礙植物生長，還可能被其他生物攝食，造成食品安全風險。研究表明，生菜、蠶豆和浮萍都能吸收微塑料，水生植物浮萍吸收微塑料后被蝦類食用，還能將微塑料傳遞到蝦的體內[16]；生菜、蠶豆是人類直接食用的重要蔬菜，也可能將微塑料傳遞給人類[21,24-25]。

尺寸更小的微塑料可能對植物的毒性更大。將蠶豆根尖分別置于不同尺寸的聚苯乙烯熒光微塑料(PS-MPs)中48 h，并對蠶豆根尖的根長、生物量、氧化應激和基因毒性評估，結果表明，100 nm微塑料對蠶豆的基因毒性和氧化損傷遠大于5 mm 的微塑料。此外，激光共聚焦掃描顯微鏡(LCSM)顯示，100 nm微塑料可在蠶豆根中積累，并很可能阻斷細胞連接或細胞壁孔轉運營養物質。大量納米級別的微塑料(100 nm)可進入到根尖中，而5 mm 微塑料顆粒在根尖中很少出現。類似的結果在其他植物中也有發現。例如，暴露在微塑料中的水芹不但發芽率顯著降低，而且隨著塑料尺寸的降低，不良反應增加[26]；粒徑越小、濃度越高的聚乙烯微塑料對綠豆毒性可能越強[41]；尺寸為1 μm的微塑料可進入胡蘿卜根并聚積在其細胞間層中，微米和納米級的微塑料還會進入胡蘿卜葉中[35]。

3.3 微塑料濃度及電荷對高等植物生長發育的影響

微塑料的濃度及電荷也是影響高等植物生長的重要因素。植物對不同濃度和不同電荷的微塑料的響應不盡相同。一般情況下，低濃度微塑料對植物生長的影響較小，高濃度微塑料則對植物生理生長特性影響較大。例如，研究表明大型水草狐尾藻等的側枝長度、根、莖生物量及相對生長指數與納米塑料濃度呈正相關[18]。對大豆幼苗[36-37]、黑藻(Hydrillaverticillata)[39]的研究表明，較低濃度的微塑料顆粒對幼苗生長影響較小，植物可通過自身抗氧化系統減小脅迫影響。

也有研究表明，高濃度的微塑料可以促進種子萌發，而低濃度微塑料則抑制種子萌發。相對較高濃度的微塑料在一定程度上可促進種子發芽，這可能與微塑料的團聚作用降低了植物對微塑料的接觸性有關[23]。低濃度的微塑料抑制發芽可能與微塑料本身所帶的電荷有關，帶正電荷的納米塑料易被吸附在根表面，而帶負電荷的納米塑料則易被吸收并轉移至植物體內[28]。微塑料粒徑越小，更容易被植物吸附或吸收，且它們具有更大的比表面積和負電荷，可通過吸附重金屬或其他污染物而成為污染源載體，從而對植物造成脅迫。基因轉錄組測序技術研究發現，納米塑料可以直接作用于根部，影響植物的芽的基因表達，帶正電荷的微塑料毒性效應更強，微塑料可以誘導抗氧化活性相關基因的下調，導致根部更高的活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平的積累。此外，根系分泌物也會影響納米顆粒在植物體中的內化作用，帶正電的納米顆粒可誘導更多的黏液并被吸附捕獲，從而阻止納米顆粒的轉移，而帶負電的納米塑料顆粒易被內化，帶正電的納米顆粒多分布在根部表面和根毛上[28]。

4 微塑料對高等植物生長發育影響機制

4.1 通過改變土壤結構理化性質影響植物養分吸收及傳遞

微塑料可以直接影響土壤的理化性質及物質循環。微塑料的存在導致土壤的物理性質發生變化，改變植物中微量營養元素的有效性，影響植物的生長，如納米尺寸的塑料顆粒也可能被強吸附到土壤表面，從而降低營養元素的有效性[27]。微塑料潛伏在土壤中或附著在根系附近，可顯著影響土壤的容重、水穩性團聚和土壤結構，從而影響土壤中水分蒸發、水分有效性及土壤中微生物的活力[10](圖1)。一方面微塑料通過降低土壤容重，直接降低植物根系的滲透阻力，提高土壤通氣性，有利于根系的發育；另一方面微塑料也可以在土壤中為水氣運動提供便捷通道，從而增加水分的蒸發，使土壤變得更干燥，對植物的生長發育不利[11]。

4.2 堵塞根部通道，控制植物營養及水分傳遞，影響光合作用

微塑料對植物生長的影響主要體現在對根的發育控制(圖1)。Kalíková等[16]發現水生植物浮萍根系生長受到微塑料的抑制，認為是由于顆粒對根部物理堵塞導致的。高等植物尤其是一些被子植物本身所具有的種皮通常可以保護其不受外界不利因素的影響[42]。在對大豆和蠶豆的種子發芽控制實驗中觀察到，微塑料可進入高等植物如蠶豆根部，大量累積在種皮的表皮孔隙中，堵塞孔隙，抑制其對水分及營養的吸收，延緩發芽；或堵塞細胞連接或細胞壁孔隙，破壞營養物質轉運[38]，從而產生過量ROS，導致氧化損傷并引發更高的毒性。微塑料在土壤及植物根部長期聚集還可能影響植物光合作用(圖1)。葉綠素含量是影響植物光合作用的重要指標[43]。研究發現，黑麥草在微塑料脅迫下葉綠素值會有所降低[27]。雖然對水芹和浮萍中未檢測到對葉綠素的影響，但是海藻暴露在70 nm聚苯乙烯塑料72 h后，其葉綠素的含量降低[27]，類似的在對小球藻(Chlorellavulgaris)和斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)的實驗中也觀察到了，可能是微塑料的存在阻礙了光線的傳播，從而影響了植物的光合作用[44]。但是有關微塑料對植物根部及種子的孔連通性和光合作用的影響的證據還較少，仍有待研究。微塑料顆粒的存在也可能減少植物之間的相互競爭作用，從而對植物生長造成負面影響[29]。

4.3 聯合污染或轉運有害物質

微塑料顆粒還可以與其他污染物共存，造成對植物的復合污染。例如，聚苯乙烯(PS) 和 鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)復合污染，抑制生菜的光合作用和糖代謝，從而降低生菜的品質[45]。微塑料與抗生素如環丙沙星聯合污染，抑制黑麥草的根長、鮮重以及葉綠素含量等，加重對植物的生長毒性[46]。微塑料還可與多環芳烴聯合污染，微塑料顆粒作為載體將多環芳烴轉移到小麥根際[47]。微塑料與砷As(III)聯合污染，抑制植物生長，影響其根系活性和光合作用，加劇其生態風險。砷As(III)的存在不僅使得尺寸較大的微塑料可以進入胡蘿卜(Daucuscarota)的根(1 219.7 nm)和葉(607.2 nm)中，也加劇了兩者對植物(胡蘿卜、水稻苗)的毒性[20,35]。微塑料本身在植物體內的吸收和轉運是研究關注的重點之一，也是微塑料對植物的最直接的毒性影響。研究表明，植物根部可以內化和累積納米粒子，沿著細胞壁的非質外體通路和細胞間隙進入到脈管系統，再從脈管系統進一步轉移到莖、葉甚至果實，并可能造成損傷，引起細胞膜、細胞內分子的改變和氧化應激的產生等[48](圖1)。此外，微塑料釋放的添加劑等有毒物質也可干擾植物的生理功能。Prata等[49]在模擬聚氨酯海綿微塑料中熒光添加劑在不同水質(酸性、咸水、堿性水)類型的天然水體(河流、湖泊、濕地、海水)中的浸出行為時發現，隨著溶液pH和浸出時間的增加，添加劑的釋放量增加，雖然未改變其光合效率，但是文章也指出，若在微塑料高豐度地區如亞熱帶環流或近岸水域，從塑料中浸出的添加劑可能會影響微藻的生理功能。另外，土壤中的微塑料顆粒可能會對植物根系或其共生體產生負面影響，潛在地轉化為對植物生長的負面影響。由于微塑料的憎水性和較大比表面積，進入土壤中的微塑料能夠通過分配作用和表面吸附作用大量吸附環境中的有機污染物從而改變被吸附物質的生物有效性，也可能間接影響植物的生長發育。亦有報道指出，污染物對微塑料表面的吸附可以降低其他污染物對土壤生物和植物的可利用性，從而起到保護作用，這已在水生環境中觀察到[50-51]，這種效應也可以轉移到土壤中。因此，微塑料對污染物的影響是否全是負面影響，還存在一定的爭議。

圖1 微塑料對植物生長發育的影響機制

4.4 干擾土壤微生物，影響根際微生物群落結構

微塑料對土壤結構的改變影響土壤中微生物的群落結構，并進一步影響土壤共生體，如菌根真菌及根際微生物群落[52]。土壤生物群落及其多樣性，特別是根定植微生物，包括固氮菌、病原體和菌根真菌直接影響植物的生理生長[53-54](圖1)。例如，Awet等[55]發現聚苯乙烯納米塑料短期對土壤微生物和酶活性是具有負面影響的。此外，納米塑料顆粒可以促進更多植物根系分泌物如草酸，從而影響黑麥草的生理生長特性[27]。不過，不同類型的微塑料對植物根系-微生物共生體的影響有差異，PES對植物根系與周圍微生物群落的相互作用影響最大，PES的存在導致菌根真菌增加了8倍，PP使菌根真菌增加了1.4倍，而PET卻降低了一半菌根真菌的侵染。

微塑料改變其菌群結構已得到證實。Zhang等[14]采用掃描電鏡(SEM)和高通量測序技術對新疆棉田采集的微塑料上的菌群進行分析發現，微塑料的表面，尤其是凹坑和片狀上，最易富集微生物，且微塑料上的微生物群落結構與周圍土壤有顯著差異。微塑料在農田土壤中可充當一種特殊的微生物蓄積器，主要富集降解聚乙烯的菌群，如放線菌等，其復雜性不亞于土壤。這些菌群及微生物的改變，在一定程度可能會影響植物的性能。微塑料也可以通過改變土壤結構來改變土壤理化性質，進而可能引發微生物活性的變化。許多研究認為，微塑料可能通過抑制微生物的生長和繁殖，破壞土壤生物多樣性，對土壤微生物群落構成威脅[56]。但也有證據表明，低劑量的微塑料對土壤微生物的影響微乎其微[57]。由于缺少相應的研究，目前微塑料對植物根際微生物群落的影響存在較大的不確定性，這可能是下一步相關研究的重點之一。

5 潛在生態風險

目前微塑料是否通過影響植物生長而導致生態風險還存在爭議。例如，盡管在魚田稻中也發現了微塑料，但是其含量/豐度不足以引起潛在的生態風險[58]。小麥種子能夠吸附微塑料，但是對小麥種子的毒性不大[23]；受微塑料污染的浮萍被蝦類食用，可在蝦的體內累積，但短期內(24～48 h)內未發有現有影響。類似的結論認為，由于實驗模擬濃度遠遠高于實際情況，因此，微塑料對植物的毒性并不大。但是，也有相當部分研究指出，微塑料的潛在風險不能忽視。微塑料可能通過食物鏈進入人類生活[59]。土壤中的微塑料被動植物吸收，動植物則可能成為傳遞微塑料的載體。例如，在含有較高微塑料土壤的園子中養的雞糞中發現了較高豐度的微塑料，這種微塑料可能通過營養途徑，進入人類的食物中。微塑料被植物如生菜水芹等人類直接食用的蔬菜中吸收累積，可能直接通過食物鏈影響人類健康。

微塑料也可能對農業生態系統和一般陸地生物多樣性造成影響[10]，或是被其他動物吸食，進入高等生物的腸道，減少細菌的多樣性，并引發免疫反應[26]。可見，無論微塑料是附著在植物的根系表皮上還是越過細胞壁障礙，被吸收進入細胞內，它們都可能與植物及其他生物等一起被食草動物攝食吸收。微塑料進入高等生物的腸道后，可能會減少細菌的多樣性，并在一定濃度的情況下引發免疫反應。首先，雖然目前的檢測技術還未能在食物中檢測到納米塑料，但已有研究已揭示微塑料可以被某些生物如魚類及植物吸收，從而可能引起人類潛在的健康危險。其次，從微塑料材料本身或添加劑中浸出的微塑料也可能影響人體健康。一些添加劑等化學物質滲入環境中，當暴露于生物體中時，會導致內分泌紊亂或急性毒性，其中最典型的例子就是雙酚A(BPA)的污染，由于雙酚A的雌激素活性，會產生包括多種代謝疾病以及造成生殖和發育方面的影響[60]。此外，暴露在環境中的微塑料合成物還可能通過呼吸系統進入人體中[59]。因此，微塑料對生態系統及人類健康安全風險，需要更多證據，有待下一步研究。

6 結論及展望

陸地生態系統中尤其是土壤中大量微塑料存在，對高等植物的發芽及生理生長發育特性都有顯著影響。高等植物與人類的生活緊密相關，不能忽視微塑料對高等植物的毒性及潛在風險。已有的研究表明，微塑料可進入植物根莖內部，引發氧化脅迫，改變其養分、水分的吸收和運輸，影響植物發芽、根莖生長發育及部分生理指標如生物量、果實量等，雖然影響有限，但不可忽視其可能造成潛在的生態及食品安全風險。微塑料的類型是影響高等植物生長的主要因素；其次是形態、大小及濃度、電荷，越小的顆粒其影響可能越大。微塑料可通過影響土壤結構及理化性質從而影響植物的養分傳遞，抑制植物生長；微塑料及其添加物釋放的毒性被植物吸收或通過植物生長活動傳遞給其他生物，成為污染物傳遞的載體；微塑料還可通過影響植物的菌群結構及根際微生物等，引發生物種群失衡等生態風險。

隨著人類社會的發展，無論是初級微塑料還是次級微塑料，大量進入土壤生態系統后，對土壤中物質循環及植物-動物-土壤的相互作用，甚至食物鏈都會產生深遠影響。然而，當前微塑料對高等植物的影響研究還很少。微塑料類型多、成分復雜、性質差異較大，其對植物及相關微生物、根際菌群結構等影響受到諸多環境因素的制約。在未來的研究中，以下幾方面問題亟待解決：

(1)相較于海洋生態系統，土壤生態系統中受有機質、團聚作用等因素的影響，微塑料提取分離也更加困難。因此，下一步應該規范對土壤及不同類型植物微塑料的提取識別方法，定性、定量研究微塑料在不同植物及土壤中的分布，為研究微塑料對植物生長發育的影響及相關機制提供基礎支撐。

(2)不同類型植物對不同性質的微塑料污染脅迫反應不同，后續應多關注不同類型微塑料對不同植物的影響，并從根系分泌物、根際微生物方面著手，明確微塑料存在對根際間分泌物的影響，從而探索微塑料對不同類型植物生理生長特性的影響，尋找微塑料對植物的污染機制，這也應該是下一步微塑料對植物影響研究的重點。

(3)微塑料不僅能夠被植物根吸收，還可轉移累積至莖、葉、果實中，并且傳遞給其他食用植物的生物或人類。到底多少濃度對植物生理特性有損傷，從而引發相應的生態系統風險。微塑料的類型多，性質復雜，哪些類型的微塑料對生物或植物的具有不可逆的傷害，其引起的潛在生態風險究竟有多大，應該也是下一步研究的方向。