人工濕地去除水環境微塑料研究進展

梁津銘，李杰，王亞娥

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院 ，甘肅 蘭州 730070)

微塑料(microplastics，MPs)一詞最早由Thompson在2009年提出，指粒徑小于 5 mm的塑料纖維、碎片、顆粒[1]。目前已經廣泛存在于水體、土壤中，由于其體積小、難降解，可在空氣、水中長距離運輸，易被生物攝入，對環境及人體健康造成威脅。如何將微塑料從淡水環境中去除，降低其對生態環境的威脅成為了目前的研究熱點。傳統方法主要是通過污水處理廠的二級、三級處理，通過混凝、沉淀及吸附等工藝實現微塑料的去除，這些方法對于一些分散較廣的非點源微塑料污染如農業廢棄物、生活塑料垃圾等并不適用。人工濕地作為一種生態友好型的分散污水處理技術目前被廣泛應用于生活污水的處理，但目前針對人工濕地去除微塑料的相關研究較少。本文在大量相關文獻的基礎上，匯總國內外相關研究，為人工濕地去除微塑料提供參考，并對未來的研究提出展望。

1 淡水環境中的微塑料的危害

微塑料在水環境中大量存在，其毒性和生態風險受到了大量學者的關注，目前的研究多集中于海洋環境中的微塑料污染，而針對與人類生活更為密切的淡水環境微塑料的相關研究較少。淡水環境中微塑料主要來源是人類的生產生活，如輪胎磨損產生的橡膠顆粒、農業生產使用的廢舊地膜以及工業生產或淡水漁業使用的塑料制品，還有未經處理的垃圾滲濾液等，這些微塑料隨雨水徑流分別匯入海洋和淡水環境中造成污染[2]。目前在淡水環境中監測到的微塑料主要類型有聚乙烯 (PE) 、聚丙烯 (PP) 、聚苯乙烯( PS) 、聚氯乙烯(PVC) 、聚對苯二甲酸乙二醇酯( PET)和聚苯乙烯泡沫(EPS)，主要是因為這幾種塑料在生產生活中使用較廣泛[3-4]。微塑料在淡水環境中的生態風險主要體現在四個方面：一是微塑料的生物毒性，由于微塑料體積小，比表面積大，易被生物吞食和吸附，造成生物的消化道堵塞并且降低藻類的光合作用效率，導致藻類生長受到抑制，微塑料所浸出的增塑劑等化學物質又會進一步對生物造成毒理效應[5]，微塑料還會隨著食物鏈的傳遞進入人體內穿透肺深部后使得呼吸系統易出現癥狀，增加癌癥發病率[6]；二是微塑料對淡水環境質量的影響，微塑料較大的比表面積會使其更容易吸附各種疏水有機物，如多氯聯苯(PCBs)、多環芳香烴(PAHs)等物質，疏水有機物的親脂性使微塑料難以在水中分解，導致水體污染[7]。微塑料中包含的多溴聯苯醚、壬基酚以及二氯苯氧氯酚(三氯生)等添加劑在生物或非生物降解作用下會釋放到水體中，影響水環境質量[8]；三是微塑料的復合毒性，多位學者認為微塑料可以改變水環境中重金屬(HMs)、PAHs 和PCBs 的生物有效性[9-11]，微塑料還會抑制代謝酶的效能進而削弱 PAHs 的代謝轉化，使得PAHs在體內積累水平增高[12]，相關研究認為微塑料對藥物及個人護理品(PPCPs)和多溴聯苯醚(PBDEs)等新型污染物的吸附會對其遷移、轉化和生態毒理效應等產生影響[13-14]；四是微塑料對生態系統功能的影響，微塑料由于其自身特性，可以成為多種細菌的運輸載體，將細菌傳遞到新的環境中，對生態系統造成威脅，微塑料還會對微生物的生態功能造成影響，進而破壞生態系統的結構與功能，Selly等認為聚氨酯泡沫( PUF) 和聚乳酸( PLA) 微塑料會促進硝化與反硝化過程，聚氯乙烯(PVC)會抑制了這兩個過程，微塑料的存在破壞了濱海沉積物中的微生物群落的組成和氮循環過程[15]，Zhang等發現聚氯乙烯微塑料(PVC) 會顯著抑制對厭氧顆粒污泥的COD 去除率，并導致甲烷產量下降和短鏈脂肪酸積累增加[16]。

目前對淡水環境中微塑料污染研究相較于海洋微塑料污染仍處于起步階段，相關研究多在實驗室中進行，對微塑料在淡水環境中的賦存及遷移轉化研究較少。未來的研究應關注微塑料與新型污染物間復合污染以及微塑料在真實環境中的生態毒理性特征。

2 淡水環境中微塑料的去除方法

針對微塑料的污染現狀及環境效應的相關研究較多，淡水環境中微塑料去除的研究仍處于起步階段。吳君怡等對國內外給、污水廠對微塑料去除效果進行研究后的結果表明，二級以上污水處理工藝對微塑料的總去除率可達 90% 以上，國內二級以上污水處理工藝對微塑料的總去除率為 53.6% ～99.5%。格柵攔截、表層刮渣、沉淀、過濾等工藝可以實現微塑料的有效去除，在給水廠中，沉淀、氣浮和混凝工藝在纖維狀微塑料去除方面起重要作用[17]。但傳統的去除工藝在應用過程中存在著一定的問題，一是這些工藝多集中于城市污水處理廠，在農村地區非點源微塑料污染的去除方面存在欠缺，而農村地區往往更靠近城市水源地，微塑料污染帶來的環境風險更大；二是傳統工藝中的機械攪拌、曝氣等過程可能會對微塑料具有碎化作用，進而產生更多粒徑低于檢測值的微塑料，加大對微塑料去除的難度和成本[17]。

2.1 預處理及一級處理

預處理一般指通過格柵、沉砂池等工藝對微塑料進行初步去除，預處理對微塑料的去除率可達到30%～60%。一級處理是通過初沉池(澄清池)對微塑料進行去除，可以去除45%～75%的微塑料[18-19]，格柵攔截由于孔隙較大，因此對微塑料去除效果一般，澄清池主要是將漂浮的微塑料表面進行脫脂后進行處理，由于微塑料本質是固體懸浮物，部分微塑料還會附著在污水中的其他懸浮物上，因此，沉淀工藝有較好的微塑料去除效果。

2.2 二級處理

二級處理作為污水處理廠的核心工藝，是通過活性污泥、生物膜以及二次沉淀池對微塑料進行進一步的去除。絮凝狀的污泥可以聚集微塑料，在二沉池中通過沉降進行去除，纖維狀的微塑料更易被污泥截留得到更高的去除率。通過添加絮凝劑可以進一步提高微塑料的去除率，Ma等的研究認為鋁鹽混凝劑比鐵鹽混凝劑的效果更佳擁有更好地微塑料去除效果[20]。

2.3 三級處理

污水處理廠的三級處理主要通過快速砂濾、膜生物反應器、臭氧氧化、氣浮等工藝進一步去除污水中的微塑料，現有的研究表明，三級處理對顆粒狀的微塑料去除效果較好。

微塑料作為一種難降解的污染物，目前尚未有針對其開發的去除工藝，主要還是依靠傳統的污水處理工藝進行去除。化學及生物作用很難將其降解。以混凝、沉淀及過濾為主的工藝在實踐和研究中取得了較好的去除效果，主要原因是因為微塑料的特性與懸浮物相類似。但目前污水廠常用的二級處理工藝中所使用的曝氣裝置會使得微塑料進一步碎化進而影響后續的處理效果，加大處理難度，PAC、PAM等混凝劑的添加可能會造成二次污染。并且目前的微塑料去除主要以污水處理廠為主，針對農村地區分散污水中微塑料去除的研究較少[21]。針對微塑料在淡水環境中的去除應當尋找一種不造成二次污染且適合分散污水處理的工藝。

3 人工濕地去除微塑料

人工濕地是一種已被廣泛實踐證明具有成本低、效果好、適宜于分散污水處理，通過模擬自然濕地的原理并加以人工強化的污水處理系統，主要通過沉淀、過濾、吸附、離子交換、植物吸收、微生物轉化與降解、沉淀析出和泥炭加積等作用去除污染物，人工濕地對懸浮物(SS)較高的去除率為人工濕地去除微塑料提供了可能性[22]。

Wei等的研究認為人工濕地在微塑料的去除中扮演著非常重要的角色，在使用潛流人工濕地作為二級處理時，對微塑料的去除率最高可達100%，平均去除率為52.4%[23]。濕地內部厭氧-好氧交替的環境以及基質的吸附、微生物和濕地動物的降解都有利于微塑料在濕地中的去除。相比于傳統工藝，人工濕地處理微塑料的優勢一是可以作為低成本的深度處理工藝，對污水廠尾水中的微塑料進行進一步去除；二是人工濕地可以適應于水量較小的分散式污水處理[22]。

國內外現階段針對人工濕地去除微塑料的研究仍處于起步階段，在相關文獻的基礎上，從植物、基質和微生物以及濕地動物四個方面對人工濕地去除微塑料的可能性進行分析。

3.1 植物去除微塑料

人工濕地內的植物通過同化作用將N、P等營養物質吸收到體內轉化為自身的營養物質對污水進行凈化，同時，植物根系及其所釋放的氧氣和分泌物(有機酸、植物營養素、螯合素等)為微生物生長提供了附著載體和營養物質。目前針對人工濕地植物去除微塑料的研究較少，當微塑料通過濕地時，挺水植物的莖葉可以過濾較大粒徑的顆粒，小粒徑的顆粒可以附著在水生植物體表或水底各種基質表面的微型生物群落上；植物還可以通過降低水流速度，使得較大尺寸的微塑料顆粒得以沉降；根部分泌物中的單寧酸、沒食子酸、植物營養素和植物螯合素等已被證明可以參與重金屬的循環與去除[24]，這些植物根系分泌物能否通過改變微塑料的理化性質以提供更好的去除效果目前尚缺乏相關研究證明。

3.2 基質去除微塑料

基質是人工濕地去除污染物關鍵部分，基質對進入濕地的污水起到過濾、吸附的作用。附著在基質表面上的微生物群落通過分泌胞外聚合物(EPS)可以提高對微塑料的吸附效果，微塑料被附著在生物膜上隨膜的脫落完成去除過程。比表面積大、孔隙率小的填料在為微生物提供更多的附著位點同時還可以吸附更多的微塑料，Wei等通過研究證明孔隙率較小的基質擁有更好地微塑料去除效果，基質的直徑和孔隙率與微塑料的去除密切相關[23]。由于微塑料表面吸附新型污染物可能會導致其理化性質的改變，在建設人工濕地時可根據微塑料及其表面吸附的性質而選擇可以與微塑料發生離子交換和氧化還原等反應的基質以提高對微塑料的去除效果。徐豐果等發現基質中如果含Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)較多時，二者可以通過溶解和吸水發生水解，在水解過程中發生聚合反應，生成多種絡合物，這些絡合物通過點中和、吸附等作用凝固沉淀[25]，這種沉淀作用有利于微塑料在基質中的去除。馬玉萍等認為含鐵基質中的三價鐵氧化物在沉積，遷移過程中產生的亞鐵離子可與污水中的磷酸鹽離子形成羥基絡合物，這些羥基絡合物可以通過吸附架橋等作用增強其對多種污染物的去除效果[26]。

3.3 微生物降解微塑料

一般認為人工濕地中的微生物以細菌、放線菌和真菌為主，其中細菌數量最多，細菌中的優勢菌群一般是具有脫氮功能的氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌。現有的研究表明，盡管微塑料在環境中具有一定的抗降解能力，但仍有一些微生物可對微塑料進行降解去除[27]。微生物降解微塑料的原理是通過附著在微塑料表面的微生物在微塑料的碳鏈上加入可以被微生物結合和降解的官能團或是通過胞外酶解離微塑料聚合物的長碳鏈后再通過生物分泌的各種酶將微塑料分解為分子量低的單體后被胞內酶進一步代謝降解[28]。Yuan和Sánchez等發現真菌其菌絲可以更牢固的附著在微塑料的表面并且可以促進微塑料中羰基、羧基和酯基等化學鍵的形成，進而降低微塑料的疏水性，取得對微塑料更好的降解效果[27,29]。但單一菌種對微塑料的去除作用有限，多種真菌和細菌組成的混合菌群具有更好的微塑料降解效果，人工濕地內部厭氧、好氧交替的環境是多種細菌和真菌共存的理想環境，濕地中常見的桿菌屬或芽孢桿菌屬的細菌就可以通過分泌蛋白酶的方式對微塑料進行降解[30]。

微生物除了通過以上的方式降解微塑料外，由于微塑料較大的比表面積，其在濕地內部還可以為微生物提供生長代謝場所，以含碳物質為主的微塑料以及其自身吸附的一些有機物質還可以作為碳源被微生物吸收利用，進而實現微塑料的降解[31]。微生物之間的共代謝作用是否有助于降解微塑料目前缺乏相關的研究證明，目前針對微生物降解微塑料的研究多集中于聚乙烯的降解，微生物對其他微塑料是否具有類似的降解效果還需進一步研究。

3.4 動物降解微塑料

底棲動物也是濕地生態系統的重要組成部分之一，底棲動物通過攝食、爬行、筑穴等生物擾動作用可以改變沉積物的物理和化學性質，影響污染物歸趨，使系統中顆粒物更易被分解利用，進而改變污染物的傳質和去除，還可以通過影響微生物活性來提高濕地系統對污染物的去除效果。人工濕地中常見的底棲動物和一些大型無脊椎動物對微塑料都具有一定的降解效果。Amobony等已證明蚯蚓幼蟲可以吞食并在體內微生物的作用下降解多種塑料聚合物[28]，Wang等通過實驗證明大型無脊椎動物也可以攝入微塑料，具有去除人工濕地內微塑料的潛力[22]。

在濕地生態系統中存在的一些昆蟲也可以通過采食塑料制品，并將這些物質作為碳源吸收利用，以實現微塑料的去除[32]，黃粉蟲、大麥蟲和蠟螟幼蟲等多種昆蟲已被證明具有采食、降解塑料的能力[33-34]，這些昆蟲的腸道菌群中均存在著具有降解微塑料潛能的相關細菌。

3.5 存在的問題

雖然國內外已有多項研究證明人工濕地具有去除微塑料的潛力，部分濕地對微塑料去除率可以達到90%以上，但相關研究仍停留在實驗室階段，并且實驗周期均較短，人工濕地對微塑料的去除是否具有可持續性還需要通過實踐進一步進行驗證。基質中吸附、沉淀的微塑料在長時間運行后是否存在著解吸釋出造成二次污染的風險目前尚未有相關的研究證實。在濕地運行方面，目前尚未有微塑料造成人工濕地堵塞的相關報道，Wang等認為進入人工濕地系統內的微塑料僅占濕地總懸浮物負荷的0.2%，并不是造成濕地堵塞的主要原因[22]。

部分研究認為微塑料及其所吸附的新型污染物會微生物造成脅迫作用進而影響人工濕地內的氮循環過程，Ma等通過實驗得出結論，1 mg/L和10 mg/L 的聚乙烯微塑料對參與反硝化作用的酶活性和電子傳遞系統活性均會產生負面影響，10 mg/L的聚乙烯微塑料還會顯著抑制硝化酶的活性，同時，聚乙烯微塑料對氮轉化相關基因的相對豐度也起抑制作用[35]。

微塑料對植物具有的潛在抑制作用可能會影響濕地的正常運行，亞微米級甚至微米級的塑料通過穿透植物的根系進入植物體內積累進而引起植物的活性氧應激反應；微塑料在動物體內通過循環系統會誘發體內器官的氧化應激、炎癥和代謝紊亂等反應進而影響生物的正常生理功能。但相關研究均在實驗室條件下運行，所采用的微塑料濃度遠高于實際進入濕地系統的濃度，因此，在實際應用的條件下，濕地內的生物是否會受到微塑料的脅迫仍需要進一步研究。

4 結論與展望

本文綜述了微塑料在淡水環境中的環境風險以及其在城市污水處理廠中常見的去除方法和效果，并提出了將人工濕地作為去除分散式污水中微塑料的解決方法，從濕地植物、基質、微生物及動物多個方面分析了人工濕地去除微塑料的可能性和潛力，并討論了人工濕地去除微塑料可能存在的問題。

未來人工濕地去除微塑料的研究可以著重于以下幾個方面：(1)由于微塑料在濕地中的沉淀、吸附作用，長期運行時可能加速濕地的堵塞，為保證處理效果及延長濕地壽命，能否使用模塊化濕地對微塑料進行去除，濕地堵塞后更換相應部分即可恢復濕地對微塑料及其他污染物的處理效果，能否通過在濕地中投加蚯蚓等底棲動物以提高人工濕地對微塑料的去除效果還需通過實驗進行驗證;(2)針對濕地內部降解微塑料微生物的研究目前仍處于起步階段，后期若能從宏基因組層面對相關基因進行研究，揭示多種菌群之間通過協同作用去除微塑料的機理，并分離培養出微塑料高效降解菌可以進一步提高濕地對微塑料的去除效果;(3)微塑料對濕地系統中的硝化、反硝化細菌究竟起抑制還是促進作用目前尚未有明確結論，微塑料是否會抑制濕地中N、P等其他污染物的去除效果以及微塑料對濕地中微生物的毒性機制還需要進一步研究;(4)微塑料對濕地內的微生物和動植物的脅迫作用和相關毒理性研究所采用的微塑料濃度大多高于實際環境中的濃度，今后的研究應著眼于自然環境中的微塑料濃度對微生物及動植物的脅迫作用進行研究和討論。