微塑料對土壤特性的影響

裴磊,王發園,張書武

(青島科技大學 環境與安全工程學院,山東 青島 266000)

微塑料(Microplastics,MPs)是一種尺寸小于5 mm的塑料顆粒、纖維或碎片,根據其產生方式可以分為初生MPs和次生MPs。一般來說,初生MPs是指那些根據人類生產生活需要直接加工生成的MPs,例如空氣噴射,工業磨料以及化妝品中的去角質珠等;次生MPs則是由較大的塑料經物理作用(破碎,磨損和風化)、化學作用(光解、熱解和水解)及生物作用(微生物降解和動物消化)形成[1]。相比于“大塑料”,MPs的小尺寸特性使得它們更容易通過大氣和水體進行傳播和擴散。因此MPs無處不在,在地球上所有的環境中都檢測到它們的存在,甚至可以通過飲食和呼吸進入人體內環境并富集[2]。而且由于尺寸微小和組成復雜,很難檢測到環境中MPs的實際當量并將其從環境中完全分離。另一方面,MPs具有更大的比表面積且次生MPs由于老化磨損等原因其表面更加粗糙,可以吸附和攜帶更多的污染物,包括重金屬(鎘、銅、鉛)、有機物(農藥、抗生素、PAHs)和致病菌等[3]。因此,MPs比“大塑料”具有更強的生態風險,微塑料污染被列入環境與生態科學研究領域的第二大科學問題,并成為與全球氣候變化、臭氧耗竭和海洋酸化并列的重大全球環境問題。

MPs最先是作為海洋中的污染物進入大眾視野,早期的研究也大多集中于微塑料對海洋生態系統的污染。近年來,隨著對微塑料研究的深入,人們逐漸把目光轉移到陸地微塑料污染上[3]。據估計,每年向陸地釋放的塑料是向海洋釋放的 4～23倍,微塑料在某些工業區表土的質量濃度可高達驚人的6.7%[4-5]。MPs可以通過多種途徑輸入土壤,包括地膜覆蓋、垃圾亂扔和填埋、廢水污泥的土地利用和大氣沉降等[6]。從總體來看,土壤環境中微塑料主要類型為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等傳統塑料類型,它們也是目前世界上最主流的塑料,總共約占95%左右的市場份額。這些類型的MPs都具有非常穩定的聚合物結構,有些在自然環境中需要數百年甚至上千年才能完全降解[7]。基于此,已經提出了幾種生物可降解塑料作為傳統塑料的可能替代品,例如聚乳酸(PLA)、聚3-羥基烷酸酯(PHA)和聚酯類(PBS)等。然而,這些可生物降解塑料雖然大幅降低了塑料的降解周期,但這需要在一定環境條件下才能迅速降解[8]。此外,我們還應注意到的是土壤環境不同于水體和大氣,土壤中物質的轉移更為緩慢,MPs在土壤中更容易積累。隨著時間的推移,MPs會不可避免的對土壤物理,化學和生物學特性產生影響,從而打破土壤環境原有的生態平衡,對土壤生態功能產生影響。

1 微塑料對土壤物理性質的影響

先前的研究表明,MPs輸入土壤可能會引起土壤容重、團聚、孔隙度和持水能力的改變,這些改變可以是積極的也可能是消極的,具體與MPs的類型、濃度、尺寸和形狀有關[3]。由于土壤主要由鋁硅酸鹽礦物組成,絕大多數MPs的密度均比土壤顆粒要小,因此研究發現MPs暴露于土壤后通常會導致土壤容重的降低[9]。土壤團聚體的形成和穩定性對土壤空氣,水分和生物養分利用具有重要影響。據報道,在中國西南地區的耕作土壤中,72%的MPs與土壤團聚體間表現出相關性[10],這表明MPs的暴露很可能會引起土壤團聚體發生變化。Souza Machado等人[11]發現,隨著MPs濃度增加,土壤團聚體穩定性逐漸降低,并且纖維狀MPs產生的影響比其他形狀的影響更顯著。他們的另一項研究得出了相似的結論,相比于PS碎片和聚酰胺(PA)顆粒,聚酯超細微纖維(PES MF)對土壤團聚體穩定性降低的效果更明顯[9]。此外,MPs對土壤團聚體的影響受其它共存因素的影響。例如MPs單獨存在對土壤團聚體穩定性沒有影響,但和有機質共存時顯著降低了土壤團聚體穩定性[12]。MPs的存在也有可能增強土壤團聚體的穩定性,Lozano等[13]報道0.4% PES微纖維顯著增強了土壤聚集(18%)。MPs微塑料的暴露會導致土壤孔隙度發生變化,進一步影響土壤氧含量和水分。在張等人[14]的研究中,添加0.1%和0.3% PMF增加了土壤大孔體積,但減少了微孔體積,且其增加或減少的量與MPs濃度呈正相關。即在大孔隙體積下,0.3% PMF比0.1% PMF增加了更多的大孔體積,從而增強了土壤的快速排水;在小孔隙的情況下,PMF濃度的增加導致微孔體積的減少。該發現表明,土壤和線性PMF之間存在相互作用(纏結),這增加了土塊的數量,從而增加了大孔隙體積;相反,微孔體積的減少與所用PES的小直徑(5 μm)和疏水性有關。MPs還被發現可以通過改變骨料粒徑分數和孔徑分布來中斷水流的垂直運輸,大型MPs膜和碎片也被認為會阻礙土壤中的水平水流,這可能改變土壤養分和污染物在土壤中的轉運[3]。

2 微塑料對土壤化學性質的影響

從組成性質來看,MPs是以碳基為主體構成的高分子聚合物(碳含量大約為80%),土壤中MPs的輸入會直接導致土壤表觀總有機碳含量的增加。然而,由于大多數MPs與其他土壤有機碳不具有相同的來源和功能,因此將MPs-碳視為土壤碳庫的一部分還有待商榷[15]。在探究外源污染物的對土壤的生態效應時,溶解性有機質(DOM)是一種常用的土壤參數,因為它是土壤中較為活躍的物質,與土壤養分循環和生物利用息息相關,已經有許多文獻報道了微塑料對土壤DOM含量的顯著性影響,有增加也有降低[3]。值得注意的是,可生物降解MPs通常會導致更高的土壤DOM含量[16]。這是可以預料的,因為許多可生物降解塑料就是由生物基的材料合成(淀粉和纖維素等)。由于MPs自身特性,其中的化學添加劑(鄰苯二甲酸酯、芳基胺和重金屬等)更容易浸出進入土壤環境,對土壤化學性質產生直接影響[17]。除了MPs本身對土壤化學成分的直接影響外,MPs還可以吸附其他污染物(重金屬和有機物等)并影響其有效性[3]。MPs的老化程度也是影響MPs吸附性能的重要因素,許多研究表明老化的MPs對有機物和重金屬等污染物具有更強的吸附能力[18]。

土壤pH值是土壤最重要化學的性質之一,對陸地生態系統結構和功能具有級聯效應[19]。研究表明MPs可以顯著提高或降低土壤pH值[3],這表明不同類型的MPs會對土壤pH值產生不同甚至相反的影響。Xu等人[20]研究了四環素在PS,PP和PE三種MPs上的吸附過程,結果表明三類微塑料對四環素的吸附過程以靜電相互作用、疏水相互作用、π-π相互作用和極性相互作用為主,三種MPs對四環素的吸附能力依次為PS,PP和PE。此外,土壤pH值受到的影響還被證明與MPs的劑量、形狀和暴露時間有關[3]。MPs對土壤生物過程(如硝化和反硝化)的影響也可能土壤pH變化的重要影響因素之一[21]。MPs對土壤中氮、磷等營養元素的影響也是一個重要的研究方向。有研究發現MPs的輸入使得土壤中速效氮和速效磷含量顯著降低[22]。MPs可能通過以下幾種機制影響土壤養分含量:(1) 一些MPs(聚丙烯腈和聚芳綸)本身就含有一部分營養物質,在進入土壤環境后隨著時間的推移逐漸釋放出來[9]。(2) MPs可能直接吸附營養物質,從而改變其可用性。特別是長時間的風化和氧化的MPs擁有更高的吸附容量[23]。(3) MPs可以通過改變土壤中相關酶活性(脲酶、蛋白酶、磷酸酶),特殊微生物群落(硝化菌,聚磷菌),植物根系對磷的吸收利用等生物學性質來影響土壤營養元素含量[24]。

3 微塑料對土壤微生物性質的影響

除了MPs本身就可以作為載體為土壤微生物提供新的棲息環境外,MPs對土壤物理和化學特性的持續影響也難以避免的會對土壤微生物特性產生影響。微生物生物量和微生物活性可以反映土壤微生物的總體健康狀況。幾項研究探索了MPs對土壤微生物生物量的影響,有增加、無影響和減少多種情況[3]。總體而言,可生物降解MPs由于易被微生物分解利用,它們通常可增加土壤微生物生物量[25]。值得注意的是,當MPs尺寸小到一定程度(納米級),它們可以直接穿透細胞膜對細胞造成物理損傷并影響細胞內環境,從而抑制微生物活性[26]。此外,MPs和其他污染物的復合效應也可能會導致土壤微生物活性的顯著變化[27-28]。

微生物群落結構和多樣性是土壤多功能性最重要的影響因素之一,高通量測序技術的成熟運用使得人們可以更深入的了解微生物群落的細微變化。首先,MPs自身可以作為土壤微生物的特殊棲息地,經過一定時間的環境暴露的后,微生物會逐漸在MPs表面定植并形成生物膜[29]。由于微環境不同,MPs會有選擇性地富集合適的微生物菌群(放線菌、擬桿菌和變形桿菌等),因此MPs表面的微生物群落結構和多樣性通常與周圍環境有較大的不同[30]。此外,還有研究表明當MPs上吸附有抗生素等污染物時,MPs上抗生素抗性基因的豐度增加,而且隨著粒徑的增加、風化程度的提高和暴露時間的延長,MPs吸附更多的抗生素,抗生素抗性基因豐度也隨之升高[31]。MPs的暴露也可能會改變土壤整體微生物群落結構和多樣性。Wang等人[32]表明,LDPE MPs的暴露使土壤細菌群落的物種更替率提升了3倍,并且隨著暴露時間的延長,土壤微生物群落的分化持續增加。不同的微塑料類型可能導致不同的微生物群落,PE和PVC MPs均降低了土壤微生物豐富度和多樣性,但PE MPs降低得更顯著[33]。可生物降解MPs和傳統MPs對土壤微生物組的影響表現出較大差異,可生物降解MPs被證明可以促進土壤微生物的多功能性[34]。MPs的濃度、尺寸和形狀也可能是MPs影響土壤微生物組的重要變量[3]。此外,許多研究還表明MPs的暴露會影響與植物共生的菌根真菌群落的豐富度和多樣性[35]。菌根真菌被在土壤重金屬、有機物污染修復和植物營養方面發揮著舉足輕重的作用[36]。實際上,任何外源物質的輸入都有很大可能會改變土壤微生物特性,我們研究MPs對土壤微生物特性的影響的主要目的是想通過分析微生物群落來探究MPs所產生的實際意義(例如功能強弱變化,養分含量變化等)。然而土壤微生物特性的改變及其所產生的影響很難用肉眼直接識別并進行量化,而且土壤微生物組是一個龐大且復雜的系統,影響基因表達的因素多種多樣,又存在功能冗余等情況。因此,在研究MPs對土壤微生物特性的影響時盡可能地將更多的環境因素考慮進去,從而對其中相互作用的機制有更清晰的了解。

4 總結

綜上所述,土壤物理、化學和微生物學特性均有可能隨著MPs的暴露發生改變,這與MPs的類型、濃度、尺寸和形狀有關,MPs的老化同樣是一個重要影響因素。值得注意的是,目前關于MPs的大多是在實驗室條件下進行的,且通常以高于環境實際濃度的劑量添加進試驗土壤,這有可能對MPs所產生的實際生態影響評估造成干擾。因此,未來需要進行更多的基于野外的多尺度研究以更好地評估和防治MPs帶來的生態風險。