土壤中微塑料污染及處理技術綜述

摘要 微塑料作為一種小尺寸的塑料廢棄物，其直徑普遍小于5 mm，并且在自然界中極難被降解。針對土壤中的微塑料污染及處理方法展開討論，從微塑料的來源和污染現狀入手，對土壤環境的微塑料來源的復雜性和污染的嚴重性做了詳細闡述。探討了土壤中的微塑料對土壤中動植物、微生物的潛在影響，如對土壤動植物的生長代謝、微生物的活性以及生物多樣性產生不良影響。總結了土壤中微塑料的治理技術及優缺點，并對土壤中微塑料的處理技術面臨的挑戰及未來研究方向進行了展望，為土壤生態系統的可持續發展貢獻力量。

關鍵詞 土壤污染；微塑料；生態影響；處理方法；未來展望

中圖分類號 X 705 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）23-0016-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.23.004

Review of Microplastic Pollution and Its Treatment Technology in Soil

CHEN Zhan1，YANG Lü1，LIU Hai-long2 et al

（1.School of City and Architecture Engineering，Zaozhuang University，Zaozhuang，Shandong 277160;2.School of Environmental Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou，Jiangsu 225127）

Abstract As a small-sized plastic waste，microplastics are generally less than 5 mm in diameter and are extremely difficult to degrade in nature.In this paper，microplastic pollution in soil and its treatment methods were discussed.Starting from the source and pollution status of microplastics，the complexity of the source of microplastics in soil environment and the severity of pollution were elaborated.The potential effects of microplastics in soil on plants，animals and microorganisms in soil were discussed，such as adverse effects on the growth and metabolism of soil plants and animals，microbial activity and biodiversity.The paper summarized the treatment technologies of microplastics in soil，their advantages and disadvantages，and prospected the challenges and future research directions of the treatment technologies of microplastics in soil，so as to contribute to the sustainable development of soil ecosystem.

Key words Soil pollution;Microplastics;Ecological impact;Treatment method;Future outlook

基金項目 山東省自然科學基金青年項目（ZR2021QE271）。

作者簡介 陳占（1989—），男，山東滕州人，講師，博士，從事城鎮固體廢物處理及資源化研究。

收稿日期 2024-01-12

塑料在過去幾十年里成為全球工業和日常生活中不可或缺的材料，工業化和城市化的加速推動了塑料需求的迅速增長。與此同時，各種各樣被稱為“微塑料”的超小且不易分解的塑料殘骸也隨之大量產生，散布在地球的每一個角落。這種經歷時間堆積而形成的微塑料污染已經引發了全球范圍內的廣泛關注，甚至可以說是一種新的環境危機［1］。尤其在土地開發頻繁的農村地區，大量且精細的塑料垃圾被隨機填埋，嚴重破壞了生態平衡和人類生存環境。

1 微塑料的來源與污染現狀

微塑料作為一種小尺寸的塑料廢棄物，其直徑普遍小于5 mm，并且在自然界中極難被降解［2］。關于微塑料的研究主要集中在海水、淡水和近海水體中，而關于陸地生態系統中微塑料的研究相對較少［3］。

陸地生態系統中微塑料主要來源于工業排放［4-5］、農業使用［6］、城市生活垃圾填埋場［7］。工業排放方面，塑料制品的生產和加工過程中，難免產生一定量的微塑料顆粒。農業使用方面，農田中的塑料薄膜和地膜等農用塑料制品在土壤中的殘留，農作物殘渣中的塑料顆粒等成為微塑料的重要來源。城市生活垃圾中，塑料袋、塑料包裝等廢棄物經過風吹、雨淋等自然作用，破碎成微塑料顆粒，進入土壤環境。此外，地表徑流和農田灌溉［8］、懸浮顆粒的大氣沉降［9］、廢水污泥和堆肥的有機肥料［10-11］等也存在一定含量的微塑料。大量的微塑料進入土壤后，會與土壤顆粒、微生物等相互作用，改變土壤結構、理化性質，導致污染物在土壤中遷移和積累，進而破壞土壤生態系統［8，12-13］。

土壤中微塑料形態以纖維、顆粒、碎片和薄膜為主，其組成主要以聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯為主［14］。全球受微塑料污染的土壤類型以農田土壤、污泥灌溉土壤以及薄膜種植土壤等為主，其中施用污泥和溫室種植土壤微塑料的豐度較高且尺寸較小。工業區土壤中微塑料豐度較高，這是因為生產塑料或塑料加工過程中釋放小粒徑顆粒及碎片沉降。Scheurer等［15］報道瑞士土壤中微塑料豐度低于398個/kg。Kim等［16］指出，韓國溫室種植土壤均已檢測到聚苯乙烯、聚乙烯2種微塑料聚合物，形態有碎片、薄膜和纖維，溫室內0～5 cm表層土壤中豐度為（1 880±1 563）片/kg。Huerta等［3］對墨西哥郊區的花園土壤調查研究中檢測到微塑料平均豐度為870個/kg，粒徑為0.01～1.00 mm。Vollertsen等［17］研究了丹麥污水污泥施用對農業土壤中微塑料的影響，結果發現施用污泥的土壤中微塑料的豐度為82 000（0～165 000）個/kg。在我國，不同地區、不同類型的土壤都具有不同程度的微塑料污染，粒徑和豐度大小隨土壤深度變化而變化。土壤中微塑料的豐度總體上呈現出不均衡、區域性強等特點。例如：在中部地區，土壤中微塑料的豐度為2.2×104～6.9×105個/kg［18］；在東部沿岸，土壤微塑料的濃度為1.3～14 712.5個/kg［19］；在東北，遼河流域土壤中微（中）塑料的豐度范圍在（13.33±11.55）～（886.67±133.17）個 /kg［20］；在西北地區，Yu等［21］調查了77個農用地膜覆蓋農田的微塑料豐度，以薄膜、碎片狀微塑料為主，平均豐度為12 589片/kg，低于0.5 mm的微塑料占比93.3%。由此可見，微塑料污染已經遍布我國各地區，涉及各種類型的土壤，土壤微塑料污染問題已迫在眉睫，亟待解決。

2 土壤中微塑料的潛在影響

與水環境和大氣環境相比，土壤中物質的轉移更為緩慢，微塑料在土壤環境中更容易積累。隨著時間的推移，微塑料會不可避免地對土壤物理、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［22］。微塑料對土壤生態系統的影響是一個復雜而多層次的過程，微塑料對土壤和生物的長期活動帶來了顯著影響，可能造成水源問題甚至對動植物、微生物以及人類的健康產生深遠影響。

2.1 土壤中微塑料對動植物的影響

2.1.1 土壤中微塑料對植物的影響。

植物作為土壤生態系統的重要組成部分，其根系與土壤緊密交互。植物根系可能吸收土壤中的微塑料顆粒，從而導致植物體內微塑料的積累。

目前已有研究報道了微塑料對小麥［23］、玉米［24］、黑麥草［25］、大豆［26］、豌豆［27］等陸生植物的作用，表明土壤微塑料的存在可以延緩植物種子的發芽時間、降低發芽率及幼苗成活率，并能顯著改變植物的生物量及根系性狀。李連禎等［28］報道了食用蔬菜能夠吸收和積累微塑料。土壤中的微塑料會破壞土壤結構，阻礙植物吸收水分和養分，造成土壤表面干燥開裂，從而影響植物的生長和產量［8］。安菁等［26］通過盆栽試驗研究了土壤微塑料殘留對大豆幼苗生長及生理生化特征的影響，結果表明微塑料殘留量較高時，會一定程度上阻礙大豆幼苗的生長，影響植株的葉面積、株高、根系活力等各項生理生化指標。有些植物可能對微塑料更為敏感，而其他植物可能表現出一定的耐受性。De Souza Machado等［29］研究表明，存在高密度聚乙烯的情況下，植物根部的生物量更大。可見，微塑料對植物的影響是復雜的、多樣的［30］。

2.1.2 土壤中微塑料對土壤動物的影響。

微塑料的表面特性和疏水性使其可以作為有機物和重金屬的優良載體，吸附了有機物或重金屬的微塑料在進入動物體內后會發生脫附而被其吸收，甚至可能發生作用機制和毒性效應的改變［31-32］。

土壤中微塑料對動物生態毒理效應的研究主要集中在蚯蚓、線蟲以及小鼠［33］，其中蚯蚓是土壤生態系統中最常見的大型土壤動物之一，同時也是目前研究土壤微塑料污染生態效應最常用的模式生物［34］。Browne等［35］發現聚氯乙烯微塑料可攜帶有機污染物轉移入蚯蚓腸道組織，并引發蚯蚓對病菌的抵抗力下降、炎癥、死亡等毒理效應。Rillig等［36］發現，進入土壤中的微塑料可以被蚯蚓攝取，將微塑料顆粒從表層土壤遷移到深層土壤，并在生物體內富集，進一步促進了微塑料在土壤環境中的遷移轉化和降解。線蟲是土壤中最具代表性的小型土壤動物之一，微塑料還可以穿透線蟲的腸道壁被運輸到其他組織和細胞，引起氧化應激反應，并影響某些基因的表達。Lei等［37］將線蟲暴露于濃度1 mg/L、粒徑0.1～5.0 μm聚苯乙烯微塑料的液體培養基中3 d，發現線蟲的存活率、體長以及繁殖率顯著下降，且粒徑越小的微塑料毒性越強。

2.2 土壤中微塑料對土壤微生物的影響

微生物群落結構和豐度的改變，可以直接表現在土壤酶活性的變化上。塑料膜殘留物會顯著影響土壤中的酶活性和微生物功能多樣性。同樣地，微生物及酶活性等的變化也將反過來加劇土壤理化性質的變化，進而影響土壤重要的生態學功能［13］。

2.2.1 微塑料對土壤微生物的直接影響。

土壤中微生物是土壤生態系統中的關鍵組成部分，參與有機物分解、養分循環等關鍵生態過程。微塑料的存在可能改變微生物群落結構，干擾微生物功能基因［38］，進而影響微生物的多樣性和豐度；有些微塑料的存在會增加能夠降解復雜有機物的微生物量。Zhang等［39］調查了聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料顆粒對沉積物中微生物群落的影響，結果表明PET微塑料的添加增加了沉積物中總有機碳（TOC）的含量，改變了微生物的多樣性，增加了腐霉科微生物降解復雜有機物的能力。而聚乙烯微塑料可能干擾微生物功能基因，Yu等［40］調查發現，聚乙烯微塑料會改變水稻土的微生物功能基因豐度，增加氮氧化物的排放。

2.2.2 微塑料對土壤微生物的間接影響。

土壤酶活性是土壤微生物活動的重要指標之一，也是土壤生態系統功能的關鍵驅動因素。微塑料通過改變土壤性質和直接吸附抑制土壤胞外酶活性，進而影響有機物的分解和養分的釋放［41］。Liu等［42］調查分析了非生物降解塑料對土壤呼吸及其酶活性的影響，發現不同類型的微塑料對土壤酶活性的影響程度不同，與塑料類型、濃度、尺寸以及暴露周期等因素相關。聚丙烯微塑料的添加使土壤呼吸和酶活性分別提高了58.8%和10.2%；而聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯和聚苯乙烯塑料分別使土壤酶活性降低13.0%、6.8%和5.0%。

微塑料對土壤酶活性的影響，引起了土壤生態功能和健康的一系列連鎖效應，對整體土壤生態系統產生深遠的影響。鑒于微生物在土壤生態系統的重要作用，有關微塑料對微生物的影響機制還需要更加深入地研究。

2.3 土壤中微塑料對人類健康的影響

土壤環境中的微塑料會被動植物、微生物吸收和積累，進而通過食物鏈轉移。Huerta Lwanga等［43］調查了微塑料在家庭花園土壤-蚯蚓-雞的食物鏈，發現土壤、蚯蚓糞、雞糞和雞胃中均檢測到微塑料的存在，證實了微塑料可以通過食物鏈富集在蚯蚓糞及雞糞。Carlin等［44］發現，魚鷹等猛禽胃腸道中也含有微塑料，且以纖維類型微塑料居多，人類通過食物鏈（網）攝入這些微塑料后可能會對人體健康造成不利的影響。Ibrahim等［45］研究發現，在成年人糞便和結腸切除標本中檢測到了微塑料，證實微塑料可以被人類攝食。關于微塑料對人類各器官、臟器的毒性作用機理，還需要根據微塑料的種類、粒徑大小以及濃度等因素進行更加詳細的調查研究。

3 土壤中微塑料的處理方法

微塑料作為一種固體廢棄物，基于固體廢物處理的“三R”原則，首先，應該加強塑料廢棄物的分類管理，減少塑料廢棄物的源頭排放。其次，采取合理的方式對其進行回收和再利用。最后，對于有毒害的微塑料還需要采取必要的措施對其進行無害化處理，實現資源化應用。

土壤中微塑料的處理技術是一個復雜而又重要的問題，它涉及環境保護、人類健康等方面。為了解決這個問題，需要綜合考慮微塑料的形狀、大小、密度等物理特性，以及化學組成等因素。如果微塑料的物理特性不合適或者微塑料中含有有毒物質，可能會導致處理過程中的效率降低或者采取更加嚴格的措施，以避免處理過程中對環境造成二次污染。因此，在選擇處理技術時需要綜合考慮成本和效果之間的平衡。目前，常用的處理微塑料的方法有物理方法、化學方法和生物方法。

3.1 物理方法 包括土壤深翻、過濾和分離等，以清除土壤中的塑料顆粒。通過利用微塑料和土壤顆粒尺寸、密度和形狀等特性的差異，可以采用合適的物理分離技術將微塑料與土壤分離。微塑料與土壤顆粒的分離技術主要有篩分法、密度分離法、靜電分選法、泡沫浮選法、磁性分離法、油提法和加壓流體萃取法等［46］，目前應用較多的分離方法有篩分法和密度分離法。篩分法是利用土壤與微塑料顆粒的粒徑的不同進行分離微塑料的方法，是土壤中微塑料分離的初始步驟，可以在一定程度上簡化微塑料的分析檢測。密度分離法利用微塑料與土壤的密度差異達到微塑料與土壤顆粒快速分離的目的［47］。經過篩分和密度分離操作，可以將微塑料顆粒從土壤中分離出來，從而減少微塑料對土壤生態的影響。傳統物理方法操作簡單且分離效果較好。而新興的加壓流體萃取法自動化程度高、成本低、效率高，有較好的發展前景，但可能會改變微塑料的形態，從而影響后續的形態信息表征［48］。

3.2 化學方法 包括化學試劑分離、化學氧化分解。化學試劑分離又有溶劑浸提和浮選等，Liu等［49］開發了一種利用NaBr循環提取土壤中微塑料的技術，回收效率在85%～100%。Li等［50］也設計了一種常用而且易于組裝的裝置，在NaBr溶液中浮選土壤中可降解/不可降解的微塑料，發現盡管顆粒大小和密度存在差異，但對于可生物降解和不可降解的微塑料，該裝置均表現出良好的提取精度，在很大的顆粒密度和尺寸范圍內，回收率從92%到99.6%不等。Han等［51］利用飽和的NaCl和NaI溶液作為浮選藥劑對土壤及其沉積物中的微塑料進行分離，結果表明將200 g干土壤置于1.3 L體積比1∶1的飽和的NaCl和NaI溶液中，聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯的平均回收率分別為（92.0±11.7）%、（78.0±16.0）%、（100.0±0）%和（98.0±4.0）%。化學氧化是采用強氧化劑或還原劑改變微塑料顆粒的結構和化學性質，從而使其分解為無害或低毒物質。化學方法處理過程中因化學試劑的使用可能產生有毒有害副產物，對環境和人體健康造成危害，未來合成無毒害的化學浸提劑是分離微塑料的關鍵。

3.3 生物方法 包括微生物降解和植物修復，微生物降解是通過特定微生物將微塑料降解，降解的過程分為4個階段：變質、解聚、同化以及礦化。然而，特定的微生物往往需要進行培養或分離篩選［52］。Auta等［53］以含有不同微塑料聚合物作為唯一碳源的合成培養基，從馬來西亞半島紅樹林生態系統篩選分離出2株降解微塑料的芽孢桿菌菌株；Park等［54］以從垃圾填埋場分離的混合微生物群落的細菌菌群生物降解微聚乙烯顆粒。此方法具有專一性和高效性，而且環境友好、成本較低，但生物降解性能受微生物種類、微塑料性質、篩選和培養條件以及土壤等因素的影響［55］。此外，微塑料與有機物在土壤中的作用規律，以及多種微塑料難以同時降解等問題還需要深入探究。

植物修復是利用植物吸收和分解能力來減少土壤中微塑料的含量，植物具有吸附微塑料顆粒的能力，可以將微塑料吸附在根系或莖葉表面［56］。同時，植物的根系分泌的酶類物質可以降解微塑料，將其轉化為無害物質。因此，通過種植具有吸附和分解微塑料能力的植物，可以有效減少土壤中的微塑料含量，但適用范圍有限。

各種處理方法在去除微塑料方面具有一定的效果，但單一方法難以實現完全去除。綜合處理技術是將物理、化學和生物方法結合，以提高微塑料污染治理的效果。例如，將物理分離和化學處理相結合，能夠更全面地去除土壤中的微塑料，同時減小對土壤生態系統的不良影響，實現微塑料的高效去除和資源化利用。

4 土壤中微塑料的處理技術面臨的挑戰及未來研究方向

不同類型的微塑料在土壤中的行為和影響各異，微塑料的多樣性和復雜性是微塑料治理過程中面臨的最主要的挑戰。因此，基于不同類型的微塑料制定合理的治理策略是一項復雜而緊迫的任務。加強土壤中微塑料污染的監測技術研究是處理過程中的另一個挑戰。可靠的監測手段可為污染治理提供科學依據和技術支持，當前的檢測技術還需要不斷改進，以滿足治理效果的實時監控需求。

針對土壤中微塑料污染問題，未來的科學研究應更多關注微塑料的污染狀況（包括濃度、類型、有害元素的毒性及毒性機理等）以及微塑料與土壤生態系統的相互作用機制等多個重要方向。同時加強不同學科、不同領域間的合作，強化多學科交叉融合，探索土壤中微塑料污染治理的新方法和新策略，研發高效、環保、低成本的處理技術，推進治理技術的創新和完善，加快研究成果的落地轉化。

5 結語

土壤中微塑料的污染已經成為全球環境科學研究的熱點。對微塑料的來源、污染現狀，微塑料對土壤生態環境的影響，土壤中微塑料的治理技術以及土壤中微塑料的處理技術面臨的挑戰及未來研究方向進行了綜述。由此可知，盡管在土壤微塑料的研究已經取得了一定進展，但仍需全人類共同努力，有效解決和減緩土壤微塑料的污染及其對土壤環境和人類健康的潛在威脅，為共建一個清潔健康的土壤生態貢獻力量。

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