濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料污染及遷移轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展

許銘宇

（1 深圳坤元生態(tài)科技有限公司，廣東 深圳 518021；2 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、工業(yè)化的水平提高和人口劇增，由此產(chǎn)生了大量的塑料污染，對(duì)人類健康和自然生態(tài)環(huán)境已構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。微塑料是指直徑小于5 mm 的塑料碎片或顆粒（Thompson et al.,2004），具有體積小、比表面積大、吸附污染物能力強(qiáng)等特點(diǎn)（屈沙沙等,2017）。微塑料污染已分布和滲透地球各個(gè)角落，在南太平洋（Bakir et al.,2020）、南北極（González et al.,2020;Fang et al.,2021）、阿爾卑斯山（Melanie et al.,2019）等偏遠(yuǎn)地區(qū)已檢測(cè)出各種各樣的微塑料，表現(xiàn)出其在物理作用下具有強(qiáng)大的遷移能力，而在潮間帶（孫聰惠，2018）、河流（Niu et al.,2021；Wang et al.,2021）、湖泊（Manikanda et al.,2021）、濕地（Liu et al.,2019）、水庫(kù)（Li et al.,2021）、污水處理廠（Bayo et al.,2020）、農(nóng)田（程萬莉等，2020）更是普遍存在，均能檢測(cè)出不同類型和不同粒徑大小及不同顏色的微塑料。在自然界的生命體中，也避免不了遭受微塑料的危害，比如在鳥類（Reynolds et al.,2018）、魚類（Cordova et al.,2020）、蜻蜓幼蟲（Chagas et al.,2020）等生物體內(nèi)，以及在人類經(jīng)常食用和飲用的雞肉（Huang et al.,2020）、食鹽（Gündogdu,2018）、自來水和啤酒中（Mary et al.,2018）也檢測(cè)出含有微塑料。

近年來，關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的前沿科學(xué)研究呈指數(shù)增長(zhǎng)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究得出濕地作為介于海洋和陸地之間的重要生態(tài)系統(tǒng)，微塑料已廣泛分布于沉積物、水體及植物、鳥類、魚類等生物中，嚴(yán)重危害濕地生態(tài)資源環(huán)境。本文通過文獻(xiàn)資料調(diào)查，分析了微塑料在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的來源，綜述了微塑料的污染特征和遷移轉(zhuǎn)化以及對(duì)生物毒理的影響，為我國(guó)開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)中微塑料污染特征、生物毒性效應(yīng)和污染防控等方面的基礎(chǔ)應(yīng)用研究提供參考。

1 濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的來源、污染特征及遷移轉(zhuǎn)化

1.1 濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的來源及污染特征

濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料主要來源于污水處理廠中生活污水和工業(yè)廢水排放、雨水地表徑流攜帶物、大氣運(yùn)輸沉降、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖以及人類活動(dòng)過程中產(chǎn)生的塑料廢物（許霞等,2018）。在自然環(huán)境中的微塑料可以被魚類、鳥類、植物等生物攝入，然后再次釋放到環(huán)境中，由此在濕地中不斷積累沉淀（Horton et al.,2018;Lourenco et al.,2017）。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料檢測(cè)中的主要聚合物組分有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）、聚苯乙烯（PS），可能歸根于這4 種塑料的高生產(chǎn)性（Tom et al.,2018）和與其它聚合物相比更具有抗降解能力（Paduani et al.,2020）。濕地中最為常見的塑料形態(tài)為纖維、碎片、薄膜。Lourenco 等（2017）在南歐和西非3 個(gè)潮間帶濕地沉積物進(jìn)行微塑料分布檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)纖維含量最多，高達(dá)99.8%，纖維塑料中有各種顏色，包括有黑色（36.3%）、白色（28.8%）、藍(lán)色（15.5%）、紅色（1.1±1.7%）、綠色（5.1%）、棕色（2.7%）。Naji 等(2019)對(duì)伊朗拉姆薩爾濕地研究發(fā)現(xiàn)纖維（56%）是鑒定出的最常見的微塑料類型，其次是碎片（35%）、薄膜和顆粒各占4%，主要顏色有黑色（41%）、藍(lán)色（18.4%）、白色（17.6%）、綠色（8.2%）、紅色（7%）、橙色（4%）、粉色（3.2%）。

1.2 濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的遷移轉(zhuǎn)化

微塑料在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化途徑具有規(guī)律性，一般在水土環(huán)境及不同生物之間進(jìn)行遷移和轉(zhuǎn)化。由于濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料顆粒物的大小范圍與許多鳥類、魚類、蚯蚓、浮游動(dòng)物的食物大小類似，常常被誤食（Lusher et al.,2017）。Chevonne 等（2018）對(duì)南非濕地系統(tǒng)中7 種鴨的糞便和羽毛刷中的微塑料污染物進(jìn)行了量化，發(fā)現(xiàn)5%的糞便樣本和10%的羽毛樣本含有微塑料纖維。劉淑麗等（2019）對(duì)馬來西亞Setiu 濕地研究證明微塑料會(huì)被濾食雙殼貝類和魚類攝入，且微塑料可從外環(huán)境轉(zhuǎn)移到生物體內(nèi)，大部分的微塑料可通過動(dòng)物糞便排出體外，從而又進(jìn)入到水土環(huán)境中，形成了微塑料物質(zhì)循環(huán)。濕地環(huán)境中最主要的塑料聚合物組分為PE 和PP，這兩種類型的聚合物密度都比較小，比表面積大，容易漂浮在水中，一部分會(huì)隨著水流沖走，另一部分會(huì)滯留在水中，然后吸附水體環(huán)境中的污染物使其重量增加，因此，密度小的微塑料能從水中遷移至沉積物中（翟俊等,2021），而像PS 和PVC 這類高密度微塑料能直接下沉并積累在沉積物中（Franzellitti et al.,2017）。

1.3 微塑料污染的濃度效應(yīng)

微塑料粒徑相對(duì)較小，易與環(huán)境中的生物相互作用，可通過多種不同途徑進(jìn)入生物體內(nèi)，并在其組織和器官中積存和轉(zhuǎn)移，不同微塑料濃度對(duì)濕地生物的危害程度不一致。蚯蚓暴露在濃度為1.5 g/kg 低密度聚乙烯中在28 d 后出現(xiàn)表面損傷，在濃度為1.0 g/kg 時(shí)，過氧化氫酶活性和丙二醛含量顯著提高（Chen et al.,2020）。螃蟹在增重率、比生長(zhǎng)率和肝體指數(shù)隨微塑料濃度（0μg/L、40μg/L、400μg/L、4 000μg/L 和40 000μg/L）的增加而降低，而且還降低了編碼ERK、AKT 和MEK 的基因表達(dá)（Yu et al.,2018）。長(zhǎng)期生活在微塑料濃度高于200 個(gè)/L 的環(huán)境中，大菱鲆幼魚的死亡率顯著增加（李慶潔等,2020）。當(dāng)然，微塑料污染除了跟濃度有很大關(guān)系，也跟其材質(zhì)類型、尺寸大小有著密切聯(lián)系。

表1 濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的污染特征Table 1 Pollution characteristics of microplastics in wetland ecosystems

2 微塑料對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響

2.1 微塑料對(duì)濕地動(dòng)物的影響

濕地動(dòng)物主要包括鳥類、爬行類、兩棲類、魚類、獸類、無脊椎動(dòng)物甲殼類等。微塑料顆粒相對(duì)較小，可被大量動(dòng)物誤以為是食物，從而攝入到體內(nèi)，導(dǎo)致胃腸道堵塞、細(xì)胞壞死、炎癥等（Seon et al.,2016）。劉淑麗等（2019）在鄱陽湖濕地鳥糞內(nèi)檢測(cè)到顆粒類微塑料。Huang 等（2020）在湛江紅樹林濕地魚類體內(nèi)發(fā)現(xiàn)有微塑料，而且廣泛存在。Hu 等（2016）發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯微塑料可以被濾食性熱帶爪蟾蝌蚪較快地?cái)z取和排出，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了水體中青鳉魚口腔和腸道等部位均有微纖維，在研究階段微纖維未對(duì)成魚的生長(zhǎng)狀況和胚胎發(fā)育等造成顯著危害。李勤（2020）等研究了聚氯乙烯對(duì)大型溞的毒性反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)微塑料的暴露對(duì)其生長(zhǎng)和繁殖都產(chǎn)生了不利影響。

2.2 微塑料對(duì)濕地植物的影響

植物是濕地環(huán)境系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，在養(yǎng)分循環(huán)過程中起著重要作用（郭雪蓮等,2007），實(shí)驗(yàn)室和自然生長(zhǎng)條件均已發(fā)現(xiàn)微塑料對(duì)植物影響的相關(guān)報(bào)道（Yang et al.,2020;Li et al.,2020）。翟俊等（2021）將微塑料對(duì)植物的影響分為直接影響和間接影響。

直接影響是指水土環(huán)境中的微塑料通過被植物吸收到體內(nèi)，阻隔植物吸收有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物從而抑制植物生長(zhǎng)。Yang 等（2020）研究發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯（PS）納米塑料對(duì)大型植物香蒲的根系活力產(chǎn)生抑制作用，從而減少了對(duì)氮的吸收。Sun 等（2020）將兩種聚苯乙烯納米塑料與土壤混合然后種植擬南芥，發(fā)現(xiàn)兩種不同類型的納米塑料均能影響擬南芥生長(zhǎng)表型，其根系生長(zhǎng)也受到了抑制，地上鮮重比對(duì)照植物減少51.5%。吳佳妮等（2020）發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯納米塑料在濃度200 mg/L 時(shí)，對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的毒害作用最大。Wu 等（2020）發(fā)現(xiàn)微塑料可以改變水稻的代謝系統(tǒng)來影響水稻的產(chǎn)量，使其生物量降低了25.9%。廖苑辰等（2019）研究了聚苯乙烯微塑料對(duì)小麥的毒理作用，發(fā)現(xiàn)小麥的根和莖生長(zhǎng)受到了抑制，對(duì)其葉片光合系統(tǒng)產(chǎn)生了損害。

間接影響指的是不同類型和粒徑的微塑料通過改變植物生境的方式影響濕地植物，主要為土壤環(huán)境、水體環(huán)境和大氣環(huán)境等因子的影響。Hernández等（2020）利用含有微塑料的污泥土壤作為基質(zhì)種植番茄，發(fā)現(xiàn)番茄的生長(zhǎng)不僅沒有受到抑制，反而促進(jìn)了成長(zhǎng)，但減少了果實(shí)的產(chǎn)量。李瑞杰等（2020）發(fā)現(xiàn)小麥在砂培條件下能吸收聚苯乙烯微球，塑料微球進(jìn)入根部維管柱后,通過維管組織運(yùn)輸?shù)降厣喜康那o部維管束和葉片的脈管組織中，從而抑制植物生長(zhǎng)。目前大多數(shù)研究只局限于實(shí)驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)，與實(shí)際環(huán)境還存在差別，未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)野外微塑料污染對(duì)植物影響的機(jī)理研究。

2.3 微塑料對(duì)濕地微生物的影響

微生物在濕地生態(tài)系統(tǒng)中是不可或缺的重要組成部分，參與濕地能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和代謝，是濕地系統(tǒng)的分解者，在污染物降解過程中發(fā)揮重要作用（鄭春雨等,2012）。微塑料的存在會(huì)影響微生物的組成和代謝活性，例如，F(xiàn)ei 等（2020）通過添加1%和5%的聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）微塑料，降低土壤細(xì)菌群落的豐富度和多樣性。雖然大部分研究證明微塑料會(huì)影響微生物結(jié)構(gòu)及多樣性，但也存在可降解微塑料的微生物細(xì)菌，當(dāng)微生物把微塑料聚合物作為碳源時(shí)，可將塑料聚合物礦化為二氧化碳和水（Emadian et al.,2017）。Mohan等（2016）發(fā)現(xiàn)了新分離的芽孢桿菌菌株具有降解高抗沖聚苯乙烯（HIPS）的功效，用芽孢桿菌菌株降解后，30 天內(nèi)高抗沖聚苯乙烯膜的重量減少了23%。Keiko 等（2001）分離出應(yīng)用于聚乙烯生物降解的真菌Penicillium simplicissimum。這些研究表明在自然界中存在某些能降解微塑料的功能型微生物菌。利用微生物處理法來降解微塑料具有環(huán)保能耗低、費(fèi)用低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，因此，在微塑料防控中有較好應(yīng)用前景。

3 研究展望

濕地生態(tài)系統(tǒng)中的鳥類、魚類、兩棲動(dòng)物、植物等各組成要素的生物體內(nèi)均檢測(cè)有微塑料含量，在濕地沉積物和水體中的微塑料豐度最高，而且暴露在濕地水土環(huán)境中的微塑料更容易富集其它有機(jī)污染物和重金屬，由此形成了復(fù)合型環(huán)境污染物。微塑料污染已全面入侵濕地生態(tài)系統(tǒng)，嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡。目前，雖然國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者關(guān)注到濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料污染所造成的潛在危害，但關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的基礎(chǔ)研究還處于初步實(shí)驗(yàn)室階段，而對(duì)于如何降解和去除微塑料的應(yīng)用研究更是處于空白階段。因此，建議從以下4 個(gè)方面開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)微塑料新型污染物的研究工作。

1）大部分動(dòng)物在濕地生態(tài)系統(tǒng)中屬于消費(fèi)者，食物鏈較為復(fù)雜。濕地中的動(dòng)物種類豐富，目前國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)在濕地、農(nóng)田和水體等環(huán)境中蝌蚪、蚯蚓、魚類及鳥類均有微塑料含量，主要偏向于生物毒性效應(yīng)研究，缺乏系統(tǒng)性的研究，其相互間的作用機(jī)理尚無相關(guān)報(bào)道。以動(dòng)物之間攝食的關(guān)系為主線，可開展生物毒性與環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系研究。

2）植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的組成部分，承擔(dān)著為魚類、鳥類和微生物提供棲息地的角色，同時(shí)在濕地的氮磷等污染物吸收、根系輸氧、生態(tài)景觀功能等方面也起著重要作用。雖然對(duì)于植物體內(nèi)是否存在微塑料的報(bào)道相對(duì)較少，但目前已有相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)濕地植物體的根莖葉均有微塑料分布，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，同時(shí)也對(duì)減弱了植物凈化污染物的能力。為摸清不同科屬或不同喬灌草植物體內(nèi)的微塑料分布特征及其對(duì)不同植物生長(zhǎng)的影響研究具有重要意義。

3）環(huán)境微生物是否能降解微塑料，這是當(dāng)前相關(guān)學(xué)者最為關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一?，F(xiàn)有研究表明，自然界存在部分可降解微塑料的微生物，但多集中在實(shí)驗(yàn)室階段，與實(shí)際應(yīng)用還有一定差距。在將來的研究中可重點(diǎn)應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)培養(yǎng)功能型微生物，研發(fā)能有效降解和去除微塑料的微生物菌劑，為減少環(huán)境微塑料污染提供技術(shù)支持。

4）自然界中的微塑料對(duì)生物危害極大且難以被降解和去除，目前對(duì)于能解決微塑料污染的技術(shù)研究鮮有報(bào)道，因此，亟需研發(fā)針對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)中新型有機(jī)污染物微塑料降解去除的新材料和新方法，如可嘗試通過利用比表面積大、環(huán)境友好型鐵基材料協(xié)同微生物聯(lián)合吸附和降解微塑料等。