農(nóng)田土壤微塑料污染及其對(duì)植物的影響研究進(jìn)展

李瑞靜，趙亞菲，耿佳慧，李軍慶,2，李貞霞,2①

(1.河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南省園藝植物資源利用與種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453003)

作為一種新型環(huán)境污染物，微塑料(Microplastics，MPs)在環(huán)境中的分布及其生物學(xué)效應(yīng)是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)。MPs通常被定義為粒徑小于5 mm的塑料顆粒[1]，近年來(lái)研究者又將尺寸1～1 000 nm范圍內(nèi)的塑料微粒定義為納米塑料(nanoplastics，NPs)。MPs在全球范圍內(nèi)廣泛存在，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了多種危害，甚至?xí)ㄟ^(guò)日常用品和食物轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)，進(jìn)而增加慢性炎癥和癌癥的風(fēng)險(xiǎn)[2]。SMITH等[3]在人類糞便內(nèi)檢測(cè)出9種MPs，扈瀚文等[4]也發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)微?？梢酝ㄟ^(guò)腸道移動(dòng)到淋巴系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)中，從而危害人類健康。目前已有較多有關(guān)MPs在海洋生態(tài)系統(tǒng)的污染研究報(bào)道。MPs對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響涉及到海水、藻類、魚類、貝類等多個(gè)方面，可以說(shuō)是海洋中的“PM2.5”[5]。水域生態(tài)系統(tǒng)中的MPs主要與陸地環(huán)境中的塑料制品有關(guān)[6]，而陸地環(huán)境中的MPs豐度可能是海洋中的4～23倍[7]。MPs也廣泛存在于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[8]。RILLIG[9]指出MPs在土壤中積累到一定程度則會(huì)改變土壤性質(zhì)、影響土壤功能及生物多樣性，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)性狀。MPs的負(fù)面生物效應(yīng)可能是由2種機(jī)制引起的：首先，MPs被攝入，對(duì)生物體造成直接損害，通過(guò)食物鏈傳遞進(jìn)而影響人類健康[10]；其次，MPs具有比表面積大、疏水性強(qiáng)和難降解等特性，其他環(huán)境污染物可在其上吸附，例如有機(jī)物和金屬等污染物，并與之發(fā)生相互作用，引起土壤物理化學(xué)性質(zhì)的改變[5]。目前關(guān)于MPs進(jìn)入土壤后對(duì)植物的影響研究還比較匱乏。該文概括了土壤中MPs來(lái)源、分布特征及積累情況，重點(diǎn)闡述了MPs對(duì)土壤生物和植物的影響及其可能的機(jī)制，為科學(xué)分析MPs對(duì)植物生態(tài)毒性機(jī)制提供依據(jù)，并對(duì)MPs污染研究方向進(jìn)行展望。

1 農(nóng)田土壤中MPs的概況

1.1 農(nóng)田土壤中MPs的形態(tài)

目前關(guān)于MPs的分類還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，MPs按形態(tài)可分為薄膜、碎片、纖維和顆粒等類型[11]。MPs的類型與其存在的環(huán)境密切相關(guān)。ZHOU等[1]發(fā)現(xiàn)山東省沿海灘涂土壤中的MPs有泡沫、球團(tuán)、碎片、薄片、纖維、薄膜和海綿7種形態(tài)。LIU等[8]發(fā)現(xiàn)上海郊區(qū)20個(gè)菜田土壤中的MPs主要有纖維、碎片和薄膜，顏色以黑色和透明為主。王志超等[12]發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)農(nóng)田土壤中MPs有纖維類(23.34%)、碎片類(26.31%)、薄膜類(38.57%)和顆粒類(11.78%)4種類型，以薄膜類的占比為高。劉亞菲[13]發(fā)現(xiàn)滇池湖濱農(nóng)田土壤中MPs以纖維狀為主，占總量的92.69%，而膜狀、碎片狀及繩狀MPs占比較少。白娜玲等[14]在研究3種地膜覆蓋對(duì)土壤環(huán)境及芋艿生長(zhǎng)的影響時(shí)觀察到土壤中MPs纖維類數(shù)量最多。韓麗花等[15]發(fā)現(xiàn)大遼河流域土壤中MPs形狀纖維類僅占2.15%，薄膜類占比最大(57.36%)，碎片類占32.21%，顆粒類占比最小(1.53%)。岳俊杰等[16]發(fā)現(xiàn)黃河三角洲濕地?zé)o植物生長(zhǎng)對(duì)照土壤中MPs類型主要有顆粒(16.67%)、纖維(33.33%)和碎片(50%)3種形態(tài)，在植物覆蓋的土壤樣品中存在顆粒、碎片、纖維和薄膜4種形態(tài)。HORTON等[17]研究發(fā)現(xiàn)污水處理廠的污泥中纖維狀MPs的數(shù)量最多。

1.2 農(nóng)田土壤中MPs的來(lái)源

農(nóng)田土壤中MPs主要來(lái)源于農(nóng)用地膜殘留，其次是通過(guò)有機(jī)肥的施用、污泥、灌溉用水和大氣沉降等途徑進(jìn)入土壤環(huán)境[18]。土壤中MPs的形態(tài)特征可部分反映其來(lái)源，如塑料薄膜一般來(lái)源于塑料袋和包裝材料，而塑料顆粒則可能來(lái)自個(gè)人護(hù)理品；顆粒狀MPs主要來(lái)自硬質(zhì)塑料的分解[19]。

農(nóng)膜殘留分解是農(nóng)田土壤中MPs的一個(gè)主要來(lái)源。農(nóng)用薄膜主要成分為聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)，包括高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)和線性低密度聚乙烯(LLDPE)。PVC薄膜透光性差，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，在美國(guó)已被禁用，但我國(guó)還有大量的使用。裴小樂[20]發(fā)現(xiàn)河南省各地市中PVC占農(nóng)膜使用總量的40%。目前，我國(guó)已成為全球地膜使用量最大的國(guó)家，年使用量超過(guò)1.45×106t?，F(xiàn)農(nóng)用薄膜回收率低于60%，導(dǎo)致大量的殘留物滯留在土壤中難以降解，經(jīng)分解成為MPs，造成污染[21]。

有機(jī)肥中MPs是造成農(nóng)田土壤MPs污染的另一個(gè)重要來(lái)源。如德國(guó)雖然對(duì)肥料質(zhì)量規(guī)定很嚴(yán)格，但允許肥料中含有占總質(zhì)量不超過(guò) 0.1%的塑料，并且未考慮直徑小于2 mm 的塑料顆粒[5]。WEITHMANN等[22]研究發(fā)現(xiàn)生物廢棄物發(fā)酵和堆肥產(chǎn)生的有機(jī)肥料普遍含有MPs，其中粒徑大于1 mm的約有14～895 個(gè)·kg-1。我國(guó)是堆肥產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用大國(guó)，年生產(chǎn)量在2.5×107t 以上，施用量約為 2.2×107t。堆肥產(chǎn)品中塑料的平均含量可達(dá)1.2 g·kg-1[23]。我國(guó)僅商品有機(jī)肥的年生產(chǎn)量就在2 500 萬(wàn)t以上，實(shí)際施用量在2 200 萬(wàn)t左右。有研究保守估算我國(guó)通過(guò)有機(jī)肥每年投入到農(nóng)田土壤中的MPs總量在 52.4～26 400.0 t[18]。

污水灌溉和污泥施用是農(nóng)田MPs污染的另一個(gè)重要途徑。國(guó)際上對(duì)污水處理廠中MPs的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，污水中約90%的MPs在處理后會(huì)積累到污泥中。NIZZETTO等[7]研究發(fā)現(xiàn)，歐洲每年每百萬(wàn)居民大約產(chǎn)生 125～850 t MPs，并通過(guò)污泥排入到農(nóng)田土壤中，歐洲和北美的污泥中MPs的負(fù)荷量分別達(dá)到 6.3×104～43.0×104和4.4×104～30.0×104t·a-1，約50%的污泥應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。美國(guó)、德國(guó)、芬蘭和瑞典等國(guó)的一些城市也發(fā)現(xiàn)污泥中含有MPs，且MPs含量范圍為 1 500～24 000 個(gè)·kg-1[24]。我國(guó)每年污泥的農(nóng)業(yè)利用量約300萬(wàn)t。LI等[25]在調(diào)查我國(guó)11個(gè)省份28個(gè)污水處理廠79個(gè)污泥樣品中發(fā)現(xiàn)，污泥中MPs的含量平均值為(22 700±12 100) 個(gè)·kg-1。我國(guó)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》規(guī)定：污泥土地利用可分為園林綠化、農(nóng)用、土地改良、林地利用等。此外有研究表明部分污泥傾倒不當(dāng)，更加劇了土壤MPs污染[5]。

灌溉用水也是農(nóng)田中MPs污染的重要途徑。作為農(nóng)業(yè)灌溉的常用水源，地表水含有一定比例的MPs。研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，太湖中MPs豐度達(dá)1.0×104～6.8×106個(gè)·km-2；長(zhǎng)江口水域MPs豐度達(dá)(4 137.3±2 461.5)個(gè)·m-3[5]。地下水是農(nóng)業(yè)灌溉的另一主要來(lái)源，MINTENIG等[24]研究發(fā)現(xiàn)地下水和飲用水中存在塑料微粒，粒徑為50～150 μm；美國(guó)的伊利諾伊州地下水中也發(fā)現(xiàn)MPs污染，最高豐度達(dá)15 200 個(gè)·m-3。PANNO等[26]在鹽井來(lái)源的食用鹽中也檢測(cè)出了大量的MPs。此外，污水中也含有大量的MPs，雖然污水處理廠能處理一定量的MPs，但凈化后的污水中仍存在濃度較高的MPs。直接使用未經(jīng)處理的污水灌溉農(nóng)田的面積也在增加。DRIS等[27]研究表明，目前已有2×107hm2的土地使用未經(jīng)處理或部分處理的污水進(jìn)行灌溉，而且10%的世界人口的食物是通過(guò)污水灌溉的農(nóng)田生產(chǎn)的。

MPs還可以通過(guò)大氣沉降的方式進(jìn)入土壤。DRIS等[27]發(fā)現(xiàn)巴黎城市地區(qū)的大氣降塵中含有人造纖維，每年通過(guò)大氣沉降到該區(qū)域的纖維類MPs大約在3～10 t。LIU等[28]和KLEIN等[29]在巴黎、東莞、上海、漢堡等城市的大氣沉降物中也檢測(cè)到了MPs，大氣MPs的主要形態(tài)通常是纖維。因此，大氣沉降也是土壤MPs的主要來(lái)源，但關(guān)于大氣沉降中MPs的研究比較缺乏[23]。

1.3 農(nóng)田土壤中MPs的積累

FULLE等[30]對(duì)澳大利亞悉尼某工業(yè)區(qū)土壤調(diào)查表明，其MPs含量達(dá)到0.03%～6.70%，主要成分為PVC和PE。SCHEURER等[31]在瑞士的平原也發(fā)現(xiàn)，90%的土壤樣品中存在MPs污染，豐度為593個(gè)·kg-1，其中88%的MPs尺寸范圍在12.5～500.0 μm。一些塑料污染嚴(yán)重的地區(qū)土壤中MPs含量可能高達(dá)60%[23]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)影響MPs豐度，因而有關(guān)農(nóng)田土壤中MPs的研究日益受到重視。HUERTA等[32]在墨西哥東南部的鄉(xiāng)村環(huán)境家庭菜園中檢測(cè)到MPs污染，豐度為2 770 個(gè)·kg-1，且MPs尺寸范圍在5～150 μm；而德國(guó)某傳統(tǒng)農(nóng)田和Landn河附近的農(nóng)田中MPs含量分別僅為(0.34±0.36)和(1.49±1.88)個(gè)·kg-1[33-34]。LIU等[35]對(duì)中國(guó)耕地進(jìn)行長(zhǎng)期塑料膜覆蓋的調(diào)查顯示，土壤殘留塑料覆蓋水平為50～260 kg·hm-2。我國(guó)河北、山東、上海、云南以及黃土高原地區(qū)都檢測(cè)出MPs污染，主要成分為PE和聚丙烯(PP)，其中黃土高原MPs豐度最低(<0.54 mg·kg-1)，云南地區(qū)豐度最高(7 100～42 960個(gè)·kg-1)[23]。湖北武漢菜地MPs豐度則高達(dá)2.2×104～6.9×105個(gè)·kg-1[36]。陜西多種種植方式的農(nóng)田中MPs豐度均為1 430～3 410個(gè)·kg-1[37]。新疆和內(nèi)蒙古一些地區(qū)農(nóng)膜覆蓋年數(shù)越長(zhǎng)，MPs豐度越高[12,37]。

1.4 MPs污染對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能的影響

由于MPs難于溶解，可以在土壤中積累或與其他有機(jī)污染物結(jié)合，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變土壤的理化性質(zhì)及物質(zhì)循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，MPs在土壤上的吸附受pH值的影響，吸附能力隨pH值的增加而減弱，并且土壤有機(jī)碳含量對(duì)MPs吸附也有重要作用[23]。LIU等[38]發(fā)現(xiàn)高濃度MPs顯著影響可溶性有機(jī)碳(DOC)、可溶性有機(jī)氮(DON)、可溶性有機(jī)磷(DOP)、腐殖質(zhì)及富里酸濃度。DE SOUZA等[39]研究發(fā)現(xiàn)不同MPs對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和微生物功能的影響存在較大差異，聚酯類顯著降低土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，而聚乙烯則可以顯著提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，而水穩(wěn)性團(tuán)聚體的減少顯著降低了土壤微環(huán)境的多樣性，是土壤結(jié)構(gòu)貧化的一種表現(xiàn)。ZHANG等[40]研究我國(guó)云南滇池農(nóng)田土壤MPs發(fā)現(xiàn)，70%左右的MPs與土壤團(tuán)粒緊密結(jié)合，特別是和微團(tuán)聚體結(jié)合，參與到土壤團(tuán)聚體的形成中。但是目前相關(guān)研究較少，且缺乏有關(guān)微塑料對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成過(guò)程及其相關(guān)機(jī)理的長(zhǎng)期研究。

2 MPs污染對(duì)農(nóng)田土壤中生物的影響

2.1 MPs污染對(duì)土壤動(dòng)物的影響

有研究表明，隨著農(nóng)田中地膜殘留物含量的增加，會(huì)導(dǎo)致土壤生物量、活性以及功能多樣性降低[41]。與水生動(dòng)物研究相比，MPs對(duì)土壤動(dòng)物生態(tài)毒理效應(yīng)的研究較少，而蚯蚓是主要的研究動(dòng)物。RILLIG等[42]發(fā)現(xiàn)進(jìn)入土壤中的MPs可以被蚯蚓攝取，將MPs顆粒從表層土壤移入洞穴再遷移到深層土壤，并在生物體內(nèi)富集，進(jìn)一步促進(jìn)了MPs在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化和降解。目前MPs對(duì)蚯蚓的毒理學(xué)效應(yīng)研究主要包括生長(zhǎng)抑制、腸道損傷、體重下降、免疫反應(yīng)、腸道微生物群落的變化、繁殖問題，甚至死亡[43-44]。MPs中的化學(xué)物質(zhì)可以在土壤生物中富集，同時(shí)土壤生物可以將積聚的化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)移。HUERTA等[44]發(fā)現(xiàn)蚯蚓可以選擇性地?cái)z取LDPE (<150 mm)在體內(nèi)積聚，且MPs粒徑越小，越容易遷移；此外，高含量(>28%)MPs會(huì)使蚯蚓腸道受到損傷，生長(zhǎng)受到抑制，致死率也顯著增加，但對(duì)繁殖率沒有明顯影響。而RODRIGUEZ-SEIJO等[43]發(fā)現(xiàn)低含量(<1 000 mg·kg-1)的MPs在土壤暴露28 d后不會(huì)對(duì)蚯蚓的死亡率產(chǎn)生明顯影響，但隨著MPs含量增加以及暴露時(shí)間延長(zhǎng)，蚯蚓腸道損傷嚴(yán)重，并直接使其體重下降及死亡。同時(shí)在蚯蚓糞便中也發(fā)現(xiàn)MPs的存在并證明其有可能被土壤節(jié)肢動(dòng)物吞食進(jìn)而遷移[23]，也有研究證明MPs有可能從蚯蚓轉(zhuǎn)移到雞肉，進(jìn)而影響人類健康[32]。

2.2 MPs污染對(duì)土壤微生物的影響

MPs對(duì)土壤微生物也會(huì)產(chǎn)生影響，其作為其他有害物質(zhì)載體導(dǎo)致土壤微生物多樣性下降[45]。MPs中含有的添加劑，如抗氧化劑、阻燃劑、增塑劑、光穩(wěn)定劑等，會(huì)對(duì)土壤微生物活性產(chǎn)生抑制作用[11,41]。如鄰苯二甲酸脂、雙酚A等對(duì)土壤微生物活性有抑制作用，從而影響微生物的繁殖發(fā)育[11]。KONG等[45]研究表明，隨著土壤中二丁基鄰苯二甲酸酯含量的提高，土壤微生物多樣性下降。WANG等[46]發(fā)現(xiàn)二甲基鄰苯二甲酸酯污染物可能會(huì)導(dǎo)致土壤中碳氮循環(huán)的加快，進(jìn)而不利于黑土肥力維持。ZETTLER等[47]研究表明微生物可長(zhǎng)期吸附在MPs表面形成生物膜，影響土壤微生物的生態(tài)功能。例如，KETTNER等[48]發(fā)現(xiàn)，PE和PS顆粒上的寄生真菌和腐生真菌在MPs的生物膜中均有大量繁殖，含有某些致病菌的彎曲桿菌可依附于MPs，對(duì)生物及人類健康造成一定威脅。此外，MPs會(huì)改變土壤孔隙度和土壤濕度，進(jìn)而改變土壤中的氧氣流動(dòng)，從而改變厭氧和好氧微生物的相對(duì)分布[49]。

3 MPs對(duì)植物的影響

目前關(guān)于MPs在陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究較少，尤其是在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)方面比較缺乏。一方面，作為陸地上MPs污染的主要來(lái)源，土壤中的MPs會(huì)降低土壤生物量、微生物活性及其功能多樣性，并且土壤中的MPs在植物-土壤間遷移會(huì)間接影響植物種子發(fā)芽及幼苗的生長(zhǎng)[17,39]。長(zhǎng)期存在于土壤中的MPs會(huì)形成NPs并經(jīng)過(guò)遷移在植物體內(nèi)積聚[50]，進(jìn)而通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，危害人類健康[51]。而MPs的高分子量或粒徑大的塑料顆粒則阻止了根際水平上的細(xì)胞壁滲透[52]。另一方面，MPs及NPs對(duì)陸地植物的影響機(jī)制還不清楚，特別是在土壤培養(yǎng)條件下[53]。

現(xiàn)有研究表明，MPs對(duì)大多數(shù)植物如小麥[54]、蠶豆[55]、水芹[56]、蔥[57]、萵苣[58]和黃瓜[59]等的生長(zhǎng)發(fā)育有顯著影響，但也有一些報(bào)道表明MPs對(duì)植物的影響較小[60]。如QI等[54]首次以LDPE和可生物降解塑料薄膜作為研究對(duì)象，通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這2種塑料膜殘留物都會(huì)對(duì)小麥種子及幼苗生長(zhǎng)造成明顯抑制作用，其生殖期也會(huì)受到負(fù)面影響，其中可生物降解的塑料膜對(duì)小麥的影響更大；而JUDY等[60]發(fā)現(xiàn)，小麥暴露在MPs時(shí)，其出苗率和生物量沒有顯著變化。DE SOUZA等[57]發(fā)現(xiàn)MPs可引起蔥總生物量、組織元素組成(如含水量、含氮量和碳氮比)、根系特征(包括根長(zhǎng)、根平均直徑、總根面積)的變化，其影響結(jié)果因顆粒類型而不同。LI等[58]研究發(fā)現(xiàn)PVC(100 nm～18 μm)和PVC(18～150 μm)對(duì)生菜根系活性無(wú)顯著影響，但0.5%和1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的PVC(100 nm～18 μm)卻顯著增加了根的總長(zhǎng)度、表面積、體積和直徑。BOSKER等[56]對(duì)種子萌發(fā)生物測(cè)定中發(fā)現(xiàn)MPs可在豌豆種子囊的孔隙中積累。劉鎣鎣等[61]發(fā)現(xiàn)HDPE(23～38 μm、100 mg·g-1)會(huì)抑制綠豆的吸水和生長(zhǎng)，證明水分吸收的物理阻礙可能是種子萌發(fā)和根系生長(zhǎng)延遲的原因。MENG等[62]研究發(fā)現(xiàn)兩種MPs(LDPE和Bio-MPs)均能誘導(dǎo)菜豆的生長(zhǎng)，且≥1.5%的Bio-MPs影響更顯著。URBINA等[63]發(fā)現(xiàn)單獨(dú)施用HDPE對(duì)玉米植株無(wú)不良影響，而PS具有顯著的植物毒性。而有研究發(fā)現(xiàn)粒徑大的PS(8.3±0.5 mm)對(duì)3種作物(綠豆、生菜和水稻)沒有造成不利影響[64]。另外，含有MPs的污泥土壤可促進(jìn)番茄的生長(zhǎng)，同時(shí)延緩和減少番茄果實(shí)產(chǎn)量[65]。

與MPs相比，NPs可以進(jìn)入植物細(xì)胞。BANDMANN等[66]通過(guò)對(duì)煙草細(xì)胞的培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，納米級(jí)塑料微珠可通過(guò)細(xì)胞內(nèi)吞作用進(jìn)入煙草細(xì)胞，其中PS微球(20和40 nm)被細(xì)胞攝取，而100 nm卻被排除在外。這表明小粒徑的NPs有可能通過(guò)植物根際吸收進(jìn)入植物體內(nèi)。李瑞杰等[67]在砂培條件下發(fā)現(xiàn)亞微米級(jí)的PS能進(jìn)入到小麥幼苗根部，并分布在其外皮層及維管柱，甚至根部積累的微球可被轉(zhuǎn)移到地上莖部維管束，進(jìn)而到達(dá)葉片的脈管系統(tǒng)中。BOSKER等[56]發(fā)現(xiàn)在不同粒徑(50 nm、0.5 μm、4.8 μm)，不同濃度(103和105 個(gè)·mL-1)的MPs中，4.8 μm的MPs可在水芹種衣殼的孔隙中積累，并發(fā)現(xiàn)MPs暴露8 h后的水芹發(fā)芽率顯著降低，暴露24 h后的水芹根系生長(zhǎng)差異顯著，而且大粒徑的MPs的影響更加顯著。JIANG等[55]觀察到大量100 nm的PS在蠶豆根尖積累。李連禎等[68]發(fā)現(xiàn)，萵苣根中200 nm的PS會(huì)轉(zhuǎn)移到其莖和葉中，從而對(duì)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成潛在的危害。LI等[59]研究發(fā)現(xiàn)，500和700 nm的PS可以從根系被運(yùn)輸?shù)近S瓜的花和果實(shí)。

此外，MPs的植物毒性與活性氧(ROS)的產(chǎn)生有關(guān)，植物細(xì)胞中活性氧的積累會(huì)導(dǎo)致植物光合作用受到影響[69]。研究表明，植物受到脅迫會(huì)抑制產(chǎn)生ROS過(guò)程的酶進(jìn)而干擾葉綠素合成，從而影響葉綠素和類胡蘿卜素[70]。例如，LI等[58]在研究NPs對(duì)萵苣生理影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，PVC(100 nm～18 μm)對(duì)丙二醛含量無(wú)顯著影響，而1%顯著提高了SOD 活性，并促進(jìn)類胡蘿卜素的合成；但PVC(18～150 μm)則抑制了類胡蘿卜素的合成。在其后續(xù)研究中也發(fā)現(xiàn)100 nm的PS會(huì)使黃瓜葉片的葉綠素、可溶性糖、類胡蘿卜素、脯氨酸含量以及熒光均顯著降低；700 nm的PS會(huì)使黃瓜葉片中丙二醛、脯氨酸、過(guò)氧化物酶相關(guān)基因的表達(dá)和酶活性、過(guò)氧化氫含量顯著增加；同時(shí)粒徑增大會(huì)導(dǎo)致主要抗氧化酶SOD和CAT的相對(duì)表達(dá)水平和活性降低[59]。孫曉東[71]也發(fā)現(xiàn),PS-NPs可以誘導(dǎo)擬南芥抗氧化活性相關(guān)基因的下調(diào)，并使根部積累更多的過(guò)氧化氫，進(jìn)而導(dǎo)致根部ROS水平積累。

如上所述，MPs的存在可能導(dǎo)致土壤物理化學(xué)參數(shù)的變化，如土壤結(jié)構(gòu)、容重、持水量和營(yíng)養(yǎng)成分[57,72]。這些變化可能通過(guò)改變植物根系特征、生長(zhǎng)狀態(tài)和養(yǎng)分吸收過(guò)程直接影響植物的表現(xiàn)[54]。

4 MPs與Cd復(fù)合污染對(duì)植物的影響

目前我國(guó)土壤面臨較為嚴(yán)重的重金屬污染，而MPs可以吸附金屬污染物，并作為載體攜帶金屬進(jìn)入生物體[73]，但關(guān)于MPs吸附重金屬進(jìn)而對(duì)植物造成復(fù)合污染的研究較少，并大多集中在重金屬Cd上[74]。研究發(fā)現(xiàn)，MPs和Cd廣泛共存，它們可以相互作用，通過(guò)改變農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中金屬的生物利用度和毒性進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)和重金屬積累[75]。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中MPs與作物之間相互作用的研究較少，MPs對(duì)植物的作用機(jī)理尚不清晰[50]。只有一些學(xué)者在幾種植物體中進(jìn)行了研究。

李貞霞等[76]研究黃瓜幼苗對(duì)MPs和Cd污染的生理響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),PVC(<18 μm，18～150 μm)能夠緩解Cd對(duì)黃瓜根系活力的影響，MPs與Cd復(fù)合污染對(duì)黃瓜葉片SOD和H2O2的影響呈現(xiàn)中和效應(yīng)，但粒徑<18 μm PVC與Cd的復(fù)合污染降低了黃瓜葉片對(duì)光能的耗散能力，卻增高了其對(duì)光能的捕獲能力。WANG等[77]在研究HDPE和PS在不同劑量下對(duì)玉米吸收Cd實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，HDPE和Cd共存對(duì)植物產(chǎn)生的毒性比PS更為顯著,并且發(fā)現(xiàn)MPs還可以通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)以及植物根際性狀間接影響Cd含量。例如高劑量HDPE導(dǎo)致土壤pH值升高，10%的HDPE單一作用時(shí)促進(jìn)植物生長(zhǎng)，但和Cd共同作用時(shí)則產(chǎn)生抑制作用，說(shuō)明MPs會(huì)改變植物對(duì)Cd的吸收，進(jìn)而改變Cd的生物利用度。而WANG等[75]的另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，MPs(PE和聚乳酸)共存對(duì)植物組織中Cd含量無(wú)影響，但會(huì)影響叢枝菌根真菌(AMF)群落結(jié)構(gòu)和多樣性，并顯著增加了土壤中二乙烯三胺五乙酸(DTPA)提取態(tài)Cd含量，且PE與Cd之間在根生物量上存在顯著的交互作用。王澤正等[78]研究了MPs和Cd及其復(fù)合對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度MPs(100 mg·L-1)與Cd(2 mg·L-1)復(fù)合污染對(duì)芽和根的生長(zhǎng)產(chǎn)生協(xié)同作用，促進(jìn)水稻種子的發(fā)芽，其余復(fù)合污染對(duì)種子的發(fā)芽均顯拮抗作用；而高濃度的MPs與高濃度的Cd復(fù)合污染沒有對(duì)水稻種子根和芽產(chǎn)生影響，由此認(rèn)為復(fù)合污染在一定程度上減輕了單一污染對(duì)植物的毒害。由目前的研究結(jié)論可以了解到MPs與Cd復(fù)合污染對(duì)植物的影響可能與MPs粒徑大小、含量和Cd濃度以及植物種類有關(guān)。

5 未來(lái)研究方向

目前農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中MPs對(duì)生物的影響和可能機(jī)理等研究不夠系統(tǒng)且比較分散，未來(lái)可以從以下幾個(gè)方面開展深入的研究：

(1)目前農(nóng)田土壤中MPs的檢測(cè)方法有限，MPs定量、鑒定以及豐度計(jì)數(shù)單位沒有統(tǒng)一規(guī)范，必須盡快建立規(guī)范準(zhǔn)確的檢測(cè)方法及單位體系。

(2)目前已經(jīng)開展對(duì)MPs在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)污染的研究，但沒有深入研究MPs進(jìn)入土壤后的一系列活動(dòng)，并且這些研究大多僅在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬環(huán)境下完成。未來(lái)需深入研究MPs對(duì)土壤功能基因、土壤生物群及土壤營(yíng)養(yǎng)循環(huán)變化的影響，探索MPs自身降解及土壤微生物對(duì)其的降解機(jī)制，加強(qiáng)對(duì)土壤、大氣和地下水環(huán)境中MPs的來(lái)源、豐度、類型和遷移分布的研究，從源頭控制MPs數(shù)量和類型。

(3)土壤生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣，一些重金屬等其他污染物與MPs會(huì)形成復(fù)合污染，這方面研究甚少，僅涉及少數(shù)重金屬和個(gè)別植物類群，需要關(guān)注更多其他污染物與MPs的復(fù)合污染情況，及這類復(fù)合污染對(duì)眾多生物類群的影響。

(4)土壤中的MPs及其降解后形成的納米顆粒會(huì)進(jìn)入植物體內(nèi)，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)。目前已有研究表明MPs會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生毒性效應(yīng)，但是需要進(jìn)一步闡明MPs從土壤到植物體的作用過(guò)程以及對(duì)植物危害的機(jī)制。另外關(guān)于環(huán)境中的MPs濃度是否會(huì)對(duì)人類產(chǎn)生危害，則需要更多相關(guān)基礎(chǔ)研究來(lái)確定MPs的暴露途徑及其潛在毒性，以評(píng)估其對(duì)人體健康的影響。