土壤中微塑料的污染現狀及其對微生物群落的影響

蘇丹,溫嘉佳,楊越,陳梓儀,林德棟,劉沙沙

(肇慶學院 環境與化學工程學院,廣東省環境健康與資源利用重點實驗室,廣東 肇慶 526061)

1 土壤中微塑料的污染現狀

1.1 土壤中微塑料的來源

農膜具有保水控溫、增產等作用而被廣泛應用在農業生產中,但存在回收率低的問題,導致了大量的塑料碎片經過光照和生物降解作用下會被分解成為微塑料而殘留在土壤中。農業生產中,由于農藥、肥料等的大量施用,其塑料包裝沒有得到有效處理而散布于土壤中,也可能導致土壤中微塑料顆粒的增加[1-2]。目前大多數國家利用處理過的污水進行農業灌溉,由于微塑料基數較大,污水經過處理后仍含有大量微塑料,因此農業灌溉時會向土壤輸送微塑料[3]。污水處理后超過90%的微塑料被截留在污泥中。污泥含有N、P、K等營養元素,可增加土壤肥力用于堆肥工藝,因此污泥中未分解的微塑料隨著堆肥的應用而積累在土壤中[1]。有研究表明,我國城市環境中,大氣的微塑料沉降量最高可達到1.46×105個/(m2·a),因此,大氣沉降也是一種輸入微塑料的途徑,其中含有微塑料的大氣顆粒物能夠在干沉降過程和濕沉降過程的作用下,落到土壤中[4]。目前,我國對廢棄塑料的處置主要有垃圾填埋法、焚燒法、造粒法和裂解法等,而最常用的處置方法還是填埋[5]。因為塑料自身的高強度和抗腐蝕的特性,所以在對其進行填埋時,不能將其完全移除,會在很長一段時間內,以其原有的狀態,在經過各種物理、化學和生物降解作用后,會被降解成微塑料[6]。

1.2 土壤中微塑料的分布特征

微塑料在我國環境中的分布具有地域差異性。微塑料在經濟發達、人口密集的地區土壤中含量較高,而在經濟發展相對緩慢、企業偏少、人口稀疏的地區含量較少。例如上海市土壤中微塑料豐度范圍在(62.50±12.97)～(78.00±12.91)個/kg[4],而青藏高原地區土壤中微塑料豐度為20～110個/kg[7]。黃土高原中微塑料的豐度為0.54 mg/kg。中國云南微塑料含量高達7 100～42 960個/kg[8]。微塑料具有空間差異性可能與一個國家或區域的地理特點、發展程度以及人口密度等有關[9]。

地理位置的不同使土壤中微塑料呈現出不同的豐度、種類和形狀等特點。廣元煙田土壤微塑料平均豐度為(4.81±3.53)×102個/kg,包括薄膜、碎片、泡沫和纖維等種類,主要以白色透明薄膜狀態存在[10]。哈爾濱農田土壤中微塑料豐度范圍在198.32～1 002.61個/kg,形態包括纖維狀、薄膜狀、碎片狀和微珠狀。聚丙烯(PP)以這四種形狀存在土壤中,聚酰胺(PA)以纖維狀、膜狀和微珠狀存在,聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)以碎片狀和微珠狀存在,聚乙烯(PE)主要以纖維狀和膜狀存在,而碎片狀的微塑料成分較為復雜,其主要成分還有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯腈(PAN)和聚苯乙烯(PS)[11]。云南滇池農田土壤中微塑料豐度含量范圍是13 020～28 100個/kg,土壤中微塑料最主要以纖維狀為主,其次是碎片狀和膜狀,最少的是繩狀微塑料[12]。

對土壤利用方式的不同也會使微塑料的賦存特征存在差異。在天津的校園土壤中,微塑料大多會以碎片的形式存在,主要成分為PP,粒徑范圍在0.1～3.2 mm之間,豐度為75～95個/kg[13]。在武漢地區,無論是城郊道路區還是住宅區的土壤樣品中,纖維狀和微珠狀仍然是所占比例最高的微塑料形態。而城郊菜地中存在的微塑料主要以微珠、纖維形式存在,分別約占48%,37%。其中菜地中微塑料的種類有PA(32.5%)、PP(28.8%)、PS(16.9%)、PE(4.2%)和PVC(1.9%),在任何一區域的土樣中,微塑料粒徑都以小于0.2 mm的居多,在城郊道路區和住宅區的土壤樣品中,小于0.2 mm的微塑料所占的比例分別為47%和44%,而粒徑在3～5 mm之間的微塑料所占的比例是最少的[14]。土壤中微塑料的豐度變化與覆膜年限呈正相關關系,陜西關中使用農膜和大棚在土壤中殘留微塑料有所不同,使用地膜所殘留的微塑料主要以白色透明的塑料薄膜為主,其次是藍色或黑色的纖維和殘片;而殘留在大棚區的微塑料以黑色塑料為主,其次是紅色或白色透明的纖維和塑料薄膜。其中微塑料殘片在使用地膜的0～10 cm土壤中平均含量為26.2 μg/g,而在大棚區為34.9 μg/g,另外20～30 cm大棚區與使用地膜的土壤殘片含量不高,分別為4.79和2.48 μg/g15[15]。在新疆棉田土壤中覆膜5,15,24 a的土壤中微塑料豐度分別為(80.3±49.3)個/kg,(308.0±138.1)個/kg和(1 075.6±346.8)個/kg[16]。固原市的設施農田與有薄膜的非設施農業(546.75±203.65)個/kg、無薄膜種植(225.34±93.45)個/kg相比,其微塑料的數量達到了(741.18±221.24)個/kg。結果表明,在設施農田中,土壤中的微塑料的含量比在未設施農田中的要高,其中,以設施農田土壤中的微塑料粒徑最大,而不覆蓋農田的微塑料粒徑最小,微塑料的形態包括薄膜、纖維、碎片和微球,主要以纖維為主,其次為薄膜[17]。

2 微塑料對土壤微生物群落的影響

2.1 土壤中微塑料對微生物群落的直接影響

2.1.1 微塑料對微生物群落組成和多樣性的影響

當微塑料進入土壤后會對微生物群落豐度、組成以及多樣性等產生直接影響。在土壤中添加微塑料會影響微生物的豐度。經過PE的土壤培養,加入1 d后與對照組相比的Chao1指數有很大差異(Chao1指數會隨著細菌群落豐富度的增多而變高),說明微塑料的添加對細菌群落的豐度有影響[18]。向土壤中加入低密度聚乙烯(LDPE)進行土壤培養,土壤優勢細菌群落從變形菌門轉變為放線菌門,說明土壤微生物的組成會隨著微塑料進入土壤中而發生改變[19]。此外,微塑料的介入會使土壤微生物群落多樣性與結構發生變化,其中PVC和LDPE等的添加會引起土壤微生物群落多樣性的下降,但會導致β-變形菌的豐度顯著上升[18,20]。將5%的PE加入到土壤中,蛋白質細菌被放線菌門替代,因此放線菌門成為土壤中優勢群落,說明微塑料進入土壤后對微生物群落的選擇性有影響并且改變了微生物群落的豐度和多樣性,會對土壤地球化學循環以及土壤微生物環境帶來影響[19]。3%的LDPE可以有效增加土壤好氧與厭氧的代謝速率,但0.2%的LDPE和PET對土壤的代謝速率并沒有明顯的影響[21]。隨著微塑料在土壤中的殘留時間越長,對土壤中的微生物群落所產生的影響會越大,其中PE能夠增加微生物在土壤中的種間競爭以及促進了微生物在土壤中的周轉率,同時使土壤中的微生物群落穩定性下降,進而破壞了土壤中的微生物群落結構[22]。

2.1.2 微塑料對微生物群落功能的影響

物質轉化過程是由微生物和土壤酶共同參與的,然而添加土壤中的微塑料會對酶的活性產生影響,進而會引起微生物群落功能發生改變。土壤中PP和PVC微塑料含量的升高,不僅會對土壤熒光素二乙酸酯水解酶的活性表現出抑制作用,而且會刺激酸性磷酸酶和脲酶的活性[20],同時當PP的添加量增加時其對脲酶的抑制作用更加顯著[23]。PE會增加土壤中與固氮作用有關的細菌豐度,影響有機氮的礦化從而導致微生物在土壤中固氮作用的變化[22]。與此同時,鞘脂單胞菌和黃色桿菌的豐度降低,從而導致微生物群落降解土壤有機污染物的能力減弱[20]。在降解老化過程中土壤微塑料的化學成分會隨之逐步釋放出來,一定程度上抑制了土壤微生物的活性,進而對微生物的生長和發育繁殖有影響[24]。其中鄰苯二甲酸酯的污染增加了土壤功能基因的表達,會加快土壤碳氮元素的循環而引起微生物功能的變化[25]。微塑料的存在改變了與植物根際土壤微生物群落相關功能酶的活性,是由于可生物降解塑料薄膜能夠為植物根際土壤微生物提供碳源,對于特定土壤微生物的生長速率會因此提高,從而使其微生物量活性高于非根際土壤微生物[26]。

2.2 微塑料改變土壤理化性質后對微生物群落的間接影響

微塑料進入土壤環境中會改變其理化性質進而影響微生物群落。微塑料能夠改變土壤的水分輸運狀態和孔隙結構,粒徑小于5 μm的微塑料微粒能夠填充到土壤的孔隙中,從而導致土壤的孔隙率明顯下降[27],進而引起土壤中的氧氣流動形式發生改變,好氧和厭氧微生物的分布也會因此而發生改變,同時有可能會引起土著微生物的滅絕[28]。土壤中的微塑料能夠吸收太陽能,從而使土壤升高溫度,并且會對土壤中的微生物群落產生影響,因此,在低溫的地區中,微生物群落的改變很有可能是由于土壤溫度的細微提高而造成的[29]。微塑料會引起土壤團聚體的變化進而對細菌群落結構產生影響,從而使得微塑料表面能夠建立以酸桿菌門、綠彎菌門、芽單胞菌門和擬桿菌門為關鍵物種的細菌網絡[30]。其中PET能夠明顯地降低土壤水穩性團聚體的穩定性,因此會造成土壤貧瘠的問題,而PE則對土壤水穩性團聚體的穩定性有顯著的提高作用[31]。在加入微塑料的過程中還會對土壤的pH值、電導率和有機質產生影響。pH值的升高和有機質的減少是因為農田塑料薄膜的使用數量增加所導致的[32],通過對PE和可降解地膜進行培養,發現土壤的pH值與原始值相比中有所上升,而電導率有所下降,說明pH值和電導率與微生物群落的變化之間有很強的相關性[33-34]。其中以聚乳酸(PLA)為代表的可生物降解塑料薄膜可以降低土壤中的氨氮濃度含量,從而對氮循環產生影響,進而導致土壤中碳氮比值的變化[33,35]。

3 結論與展望

主要總結了土壤環境中微塑料的污染現狀及其對土壤微生物群落的影響,但微塑料作為一種新型污染物,目前的研究還存在不足,對今后的研究進行展望:

(1)目前沒有規范化的土壤中微塑料的采樣和檢測方法,這會導致實驗結果的差異,需要建立統一的采樣和檢測標準。

(2)關于土壤中微塑料的來源有一定研究,但來源途徑并沒有完全明確。應加強對土壤中微塑料的來源和分布特征的研究。

(3)針對土壤中微塑料和微生物相互作用的研究還不充分,主要關注的是微塑料對微生物群落組成和多樣性的影響,需要深入探究相應的作用機制,將有助于了解微塑料存在于土壤生態功能的變化。

(4)進一步研究微塑料對微生物的影響機制。土壤并不只是土壤顆粒與有機物質的簡單組合,真正的土壤是因為土壤中的微生物和這些物質進行了多種活動,而微生物是土壤中不可或缺的一部分。然而目前針對土壤中微塑料和微生物相互作用的研究還不充分,且多數關注于其對微生物群落結構的影響上,而對微生物在其中的生態功能的影響研究較少。為此,需要對其作用機理進行進一步的研究,以維持土壤的生態環境。