土壤環(huán)境中微塑料的研究進(jìn)展和展望

陳琢玉 文昌淑 李燕靈 吳冬霞 郭磊

（貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽 551416）

1 引言

微塑料通常指直徑小于5 mm 的塑料顆粒［1］。環(huán)境中的塑料可以經(jīng)過一系列物理化學(xué)、生物過程而降解為微塑料［2］，其在土壤、湖泊和海洋水體、生物和沉積物等多種環(huán)境介質(zhì)中大量積累，在污染環(huán)境的同時(shí)對(duì)全球的經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的影響［3］。土壤是構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)最基本的環(huán)境要素，是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤中微塑料的污染和遷移轉(zhuǎn)化過程，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。因此，土壤生態(tài)系統(tǒng)的微塑料污染是全球微塑料污染亟待解決的核心問題［2］。

本文系統(tǒng)總結(jié)了近年全球土壤微塑料的研究進(jìn)展，分析了土壤微塑料污染來源、污染現(xiàn)狀、檢測(cè)技術(shù)及其在土壤中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)，闡明當(dāng)前土壤微塑料研究的不足及問題，并提出未來土壤微塑料的研究重點(diǎn)和方向，為深入認(rèn)識(shí)土壤微塑料的污染，統(tǒng)籌土壤微塑料污染治理工作提供理論依據(jù)。

2 土壤微塑料污染研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)土壤微塑料污染研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)開展了不同土壤類型土壤微塑料的研究，見表1。由表1 可以看出，不同區(qū)域的土壤微塑料的豐度、粒徑及其來源存在一定的差異。例如，Zhou 研究了武漢市郊區(qū)3 種不同土壤利用方式下的微塑料豐度，其豐度范圍為2.2×104～6.9×105顆粒/kg，且土壤中81.4%的微塑料粒徑范圍在10～100 μm 之間。除此之外，他還發(fā)現(xiàn)了土壤中重金屬濃度與微塑料密切相關(guān)，表明土壤中微塑料很可能是重金屬遷移運(yùn)輸?shù)妮d體，這兩者的協(xié)同作用會(huì)對(duì)土壤環(huán)境構(gòu)成巨大的危害［4］。海岸帶土壤的微塑料豐度變化為1.3～14 712.5 個(gè)/kg，這主要是受到了海洋潮汐作用、河流排放和高強(qiáng)度人為活動(dòng)的影響（旅游、海產(chǎn)品養(yǎng)殖等）［5-7］。Zhang 和Liu 發(fā)現(xiàn)云南滇池附近的農(nóng)田土壤中的塑料顆粒與土壤聚集狀態(tài)有關(guān)［8］。Ding 等研究發(fā)現(xiàn)，陜西省農(nóng)田土壤中的微塑料豐度不僅受到農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，也與土壤的種植類型和氣候類型密切相關(guān)［9］。除此之外，農(nóng)田土壤中微塑料豐度與土壤薄膜的使用時(shí)間長短呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性（R2＝0.89，p＜0.01），表明土壤微塑料的積累與薄膜的使用有直接關(guān)系［10］。

表1 國內(nèi)土壤微塑料的豐度、粒徑范圍和來源

2.2 國外土壤微塑料污染研究現(xiàn)狀

相比國內(nèi)，國外目前開展相關(guān)土壤微塑料污染的研究較少（見表2）。例如，Scheurer 和Bigalke 發(fā)現(xiàn)瑞士洪泛平原土壤中微塑料最高豐度可達(dá)593 顆粒/kg，這主要受到了風(fēng)化擴(kuò)散過程的影響。德國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)土壤中微塑料的豐度僅有0.34±0.36 顆粒/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于受人為影響的農(nóng)業(yè)土壤（如墨西哥農(nóng)用蔬菜地為870±1 900 顆粒/kg）。受污水污泥使用的影響，西班牙和智利農(nóng)田土壤中的微塑料分別為930～3 060，600～10 400 顆粒/kg，也明顯高于瑞士和德國土壤中微塑料的豐度。

3 土壤微塑料分析檢測(cè)技術(shù)

3.1 樣品采集、分離和提取

分離和提取土壤中的微塑料是厘清其在土壤環(huán)境中的行為關(guān)鍵的一步。樣品采集時(shí)要依據(jù)研究目標(biāo)和實(shí)際問題，采用不同的采樣方法和采樣工具。例如，根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)，可以采取簡單、系統(tǒng)隨機(jī)抽樣方法，或者采用網(wǎng)格抽樣等方法確定采樣點(diǎn)位。表層土壤樣品一般采集深度在10～20 cm，質(zhì)量為1～2 kg。表層的土壤樣品一般采用不銹鋼勺、鏟等工具，要采集土壤剖面則需要用到土壤剖面采樣器、環(huán)形刀等工具［17］。采集的土壤樣品裝入玻璃瓶中低溫（4 ℃）保存。

目前，相關(guān)的研究主要采用視覺檢測(cè)、密度分離、過濾篩選等步驟來進(jìn)行土壤中微塑料的分離和提取（見圖1）［18］。視覺檢測(cè)通過肉眼觀察或者借助光學(xué)顯微鏡來對(duì)土壤中的微塑料特征、大小以及形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。在操作過程中偶然的人為因素影響可能導(dǎo)致分析結(jié)果存在很大的誤差。密度分離是利用樣品之間的密度差異來分離土壤中的微塑料（如微塑料密度一般為0.8～1.4 g/cm3，而土壤密度為2.6～2.8 g/cm3）。分離出來的微塑料再使用不同孔徑的網(wǎng)眼和濾膜進(jìn)行篩選和過濾，對(duì)土壤中微塑料大小進(jìn)行分類［19］。

圖1 土壤微塑料的分離、提取和檢測(cè)分析流程示意

3.2 土壤微塑料的分析檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)儀器

當(dāng)前，土壤微塑料的分析檢測(cè)技術(shù)主要包括：視覺鑒定法（Visual Identification）；傅里葉紅外光譜法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)TIR）；拉曼光譜法（Raman Spectroscopy）；液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用法（Liquid Chromatograph-Mass Spectroscopy，LC-MS）。目前尚沒有快速便捷且高效的土壤微塑料監(jiān)測(cè)方法，上述4 種方法都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，且有一定的適用范圍，詳見表3。

表3 土壤中微塑料主要檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

4 土壤微塑料的來源

土壤微塑料的來源主要可以分為4 個(gè)部分：農(nóng)業(yè)活動(dòng)；城市、道路地表徑流；大氣沉降；大顆粒塑料的分解。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，污泥常被用作農(nóng)業(yè)肥料［20］。有關(guān)污水污泥中微塑料的研究指出，污水污泥能高效富集微塑料［21-22］。盡管污水處理系統(tǒng)對(duì)微塑料顆粒的去除效率很高，然而仍然有大部分微塑料顆粒存留在污泥中。例如，Mahon 等發(fā)現(xiàn)污泥的處理工藝過程（濃縮、脫水、穩(wěn)定和干燥）并不足以去除污泥中的微塑料［23］。前人基于中國的污泥總產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，每年經(jīng)過污泥而進(jìn)入自然環(huán)境中的微塑料可達(dá)1.56×1014顆粒/kg［24］。此外，據(jù)估計(jì)，在歐洲和北美洲每年分別有63 000～430 000，44 000～300 000 t 的微塑料通過污泥而進(jìn)入農(nóng)田土壤中［25］。

薄膜覆蓋也是土壤中微塑料積累的一個(gè)關(guān)鍵因素。目前，薄膜覆蓋技術(shù)廣泛用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，可以有效促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)增收。薄膜覆蓋會(huì)使大量的塑料薄膜殘留和堆積在土壤中，在光照和微生物的作用下被分解為納米微塑料［26-27］。Zhou 等研究發(fā)現(xiàn)，相比未使用薄膜的農(nóng)田土壤（微塑料豐度263 顆粒/kg），薄膜覆蓋會(huì)明顯增加土壤中的微塑料豐度（571 顆粒/kg）［6］。Huang 等調(diào)查了中國19 個(gè)省份的土壤微塑料濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤中微塑料的豐度與薄膜的用量和覆蓋時(shí)間存在明顯的正相關(guān)性［10］。

地表徑流、大氣沉降也是土壤中微塑料積累的重要因素。排放在大氣中的小粒徑的微塑料可以隨著大氣環(huán)流進(jìn)行長距離傳輸，從而使偏遠(yuǎn)地區(qū)土壤中的微塑料增加。例如，周倩等指出，大氣中的微塑料可能是中國沿海土壤環(huán)境中微塑料的一個(gè)關(guān)鍵來源［28］。

除了上述主要來源之外，大型塑料碎片（塑料袋、塑料瓶等）原地的降解過程也是土壤中微塑料積累的重要因素。事實(shí)上，微塑料的降解被普遍認(rèn)為是環(huán)境中納米微塑料積累的主要地球化學(xué)過程［29-30］。當(dāng)然，有機(jī)肥料的使用、垃圾填埋場(chǎng)的填埋、垃圾的非法傾倒等也是土壤中微塑料積累的來源。

5 微塑料污染對(duì)土壤的環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)

研究指出，微塑料不僅會(huì)影響土壤的理化性質(zhì)，還會(huì)對(duì)土壤中的生命有機(jī)體繁衍和發(fā)育、農(nóng)作物的生長產(chǎn)生顯著的影響［31-34］。土壤中的生命有機(jī)體主要為蚯蚓、跳蟲和螨蟲等［35］。目前，有關(guān)微塑料對(duì)土壤中的生命有機(jī)體的健康效應(yīng)的研究主要集中在蚯蚓和跳蟲。蚯蚓通常生活在土壤中，以土壤中有機(jī)物為食，因此，蚯蚓可以直接攝取土壤中的微塑料。Lwanga 等發(fā)現(xiàn)，將蚯蚓暴露于微塑料中60 d，其體內(nèi)產(chǎn)生了毒性，且蚯蚓會(huì)選擇性地?cái)z取土壤中微塑料，并會(huì)轉(zhuǎn)移到土壤系統(tǒng)中的其他生命體中［36］。Rodriguez-seijo 等發(fā)現(xiàn)，較低的微塑料濃度會(huì)引起蚯蚓腸道組織發(fā)生變化，而高濃度的微塑料會(huì)明顯抑制蚯蚓的生長并增加其死亡率［37］。跳蟲在高濃度的微塑料作用下也有相似的規(guī)律［38］。

微塑料通過對(duì)土壤的作用也會(huì)間接影響農(nóng)作物的生產(chǎn)和人類的健康。例如，土壤中的微塑料會(huì)抑制小麥和玉米等農(nóng)作物的生長，導(dǎo)致其產(chǎn)量降低［39］。除了對(duì)主要農(nóng)作物的影響外，微塑料還可以影響蠶豆和蔬菜等植物［40-43］。Zhou 等發(fā)現(xiàn)向土壤中添加聚丙烯微塑料，會(huì)嚴(yán)重影響大豆和花生的正常生長和產(chǎn)量［44］。Lwanga 等指出，在土壤—蚯蚓—雞食物鏈之間，微塑料可以從土壤中傳遞到雞體內(nèi)。蚯蚓糞便的微塑料富集系數(shù)只有12.7，而雞糞便中可高達(dá)105［15］。雞作為人類的食材會(huì)導(dǎo)致微塑料進(jìn)入到人體。目前，已經(jīng)從人類的糞便中檢測(cè)到微塑料，盡管尚未有研究指出多高的微塑料濃度會(huì)對(duì)人體健康造成威脅，但有研究指出，高濃度的微塑料會(huì)影響哺乳動(dòng)物（老鼠）的生命健康［45-46］。有關(guān)微塑料通過食物鏈的方式對(duì)人體健康的影響和閾值還有待進(jìn)一步研究。

6 未來土壤微塑料的研究展望

微塑料作為一種新型持久性的污染物，已經(jīng)被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。目前對(duì)土壤中微塑料的來源、遷移轉(zhuǎn)化過程和影響因素，以及對(duì)微塑料的健康風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)還不是很清楚。本文通過對(duì)國內(nèi)外土壤微塑料研究的相關(guān)文獻(xiàn)的梳理，提出未來土壤微塑料研究的幾點(diǎn)看法：

（1）建立統(tǒng)一、高效且方便的土壤微塑料分離、提取和分析檢測(cè)方法，為快速且準(zhǔn)確檢測(cè)土壤中微塑料豐度提供技術(shù)支撐。

（2）開展全球或者區(qū)域不同土壤類型、不同土地利用方式下的土壤微塑料研究，量化不同土壤中微塑料的來源、分布及其遷移轉(zhuǎn)化過程和關(guān)鍵影響因素，明晰土壤中微塑料的環(huán)境行為，為深入認(rèn)識(shí)土壤中微塑料污染情況以及開展土壤中微塑料污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

（3）開展微塑料在食物鏈中遷移富集傳遞的研究工作，對(duì)評(píng)估微塑料的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)有重大的指示意義。

（4）加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)用地塑料垃圾的回收工作，引導(dǎo)人們少使用塑料制品并減少塑料垃圾，制定區(qū)域和地區(qū)微塑料污染控制標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，從源頭上減少塑料的使用和排放是未來的重要方向。