聚乙烯的生態(tài)影響及其生物降解

王佩瑤,曹萌萌,桑成琛,栗婷軒,朱利霞

(周口師范學院 生命科學與農學學院,河南 周口 466001)

“塑料”泛指高分子量聚合物,但目前人們廣泛使用的塑料,如食品和飲料包裝、服裝纖維和建筑行業(yè)的材料,僅限于少數(shù)幾種類型。其中,簡單烷基鏈聚合物聚乙烯的應用范圍最廣。按照分支程度、分子填充程度以及整體結晶度和材料密度等的不同,聚乙烯可分為高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和線性低密度聚乙烯。聚乙烯由于其經(jīng)濟方便和穩(wěn)定性好,被廣泛用于生產和生活的方方面面,在農業(yè)生產中,聚乙烯被制成地膜用于改善土壤水熱狀況、增加作物產量,但同時也帶來了嚴重的“白色污染”。隨著時間的推移,聚乙烯會在生物和非生物因素的綜合作用下破碎成微小的顆粒(微塑料)。由于微塑料粒徑小,易被土壤動物攝食影響其生命活動,同時微塑料能夠吸附有機物、重金屬等污染物,增加生態(tài)風險。因此,本文總結了聚乙烯的生態(tài)影響與環(huán)境風險,闡述了聚乙烯塑料生物降解過程及參與其中的微生物,并對未來的研究方向進行了展望,以期為聚乙烯的高效生物降解提供一定的科學參考和技術支撐。

1 聚乙烯的生態(tài)影響與環(huán)境風險

1.1 聚乙烯對土壤理化性質的影響

廢棄聚乙烯是環(huán)境中毒素的主要來源,也是導致生態(tài)環(huán)境破壞的關鍵因素[1]。2018年,全球生產了約2.5億t塑料垃圾,其中近70%的垃圾被回收、填埋和再利用,而剩余的30%被直接釋放到環(huán)境中[2],影響自然環(huán)境中的生態(tài)過程。聚乙烯進入土壤后逐漸裂解為微塑料,比表面積、含氧官能團數(shù)量增加、親水性也明顯增加,對土壤中的極性組分有更強的吸附能力,從而改變土壤的化學性質[3]。聚乙烯微塑料容易在土壤基質中進行縱向和橫向遷移而廣泛分布于土壤中。微塑料作為一種富含碳的外源有機物質,會增加土壤有機碳含量、改變土壤有機碳礦化進程,進而影響土壤的碳素周轉過程[4]。此外,有研究表明,微塑料會降低土壤容重、改變土壤結構和土壤水分動態(tài)[5]。聚乙烯微塑料進入土壤后,主要通過影響土壤水分運移狀況改變土壤持水性。當向土壤中加入1%粒徑2 mm的聚乙烯碎片,土壤水分蒸發(fā)速率明顯增加,加劇土壤水分虧缺;且小粒徑聚乙烯對蒸發(fā)率的影響更為明顯[6]。胡旭凱等[7]研究表明,添加聚乙烯微塑料初期土壤水穩(wěn)定性團聚含量增加,團聚體穩(wěn)定性明顯增加;然而大粒徑聚乙烯微塑料處理后土壤表面出現(xiàn)明顯的干燥開裂,這可能是由于聚乙烯的加入導致土壤的結構被破壞[6]。此外,向土壤中加入可生物降解聚乳酸、高密度聚乙烯和微塑料合成纖維等不同類型的微塑料,土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布發(fā)生明顯改變,從而改變土壤的抗侵蝕能力[8]。

1.2 聚乙烯對土壤生物的影響

微塑料進入土壤后一方面可以改變土壤的理化性質進而影響微生物的生境,另一方面微塑料可作為微生物的載體,其中的增塑劑也會影響微生物的生長[9-10]。聚乙烯的加入可以顯著提高土壤脲酶和過氧化酶活性,降低土壤微生物的多樣性指數(shù),但對土壤微生物的α多樣性無明顯影響[11]。5%的聚乙烯可以明顯增加土壤放線菌的數(shù)量,這表明聚乙烯對土壤微生物的影響有一定的選擇性[12]。有研究表明,1%和5%低密度聚乙烯明顯降低土壤細菌豐度和多樣性,增加β變形菌數(shù)量尤其是與土壤固氮相聯(lián)系的伯克氏菌科微生物,由此,聚乙烯會改變土壤氮素周轉過程[13]。

土壤動物作為土壤生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,對改善土壤結構有重要作用,同時會影響土壤微生物的活性。高濃度聚乙烯微塑料降低蚯蚓生長速率[14],當聚乙烯微塑料濃度大于1 g·kg-1時,蚯蚓表面出現(xiàn)損傷并表現(xiàn)出神經(jīng)毒性反應[15];當聚乙烯濃度為20%時,蚯蚓體內過氧化氫酶活性增加,而超氧化物歧化酶活性降低[6];當聚乙烯微塑料的濃度達到閾值后,蚯蚓的生長速度和死亡明顯受到影響,證實了高濃度的聚乙烯微塑料對蚯蚓的消極作用。聚乙烯也會影響跳蟲的生長和繁殖,當聚乙烯濃度達到1%時,跳蟲的生殖率降至30%左右[16]。此外,由于聚乙烯微塑料具有一定的吸附性,可以吸附土壤中的有機物、重金屬等有毒有害物質,而聚乙烯微塑料的載體效應也可能導致土壤動物的生命活動受到制約和威脅。然而,有研究表明土壤動物可以攝入聚乙烯等微塑料,有利于減少土壤中聚乙烯微塑料的積累。Huerta 等[17]研究發(fā)現(xiàn)向砂壤土接種取自蚯蚓腸道的細菌21 d后,土壤中低密度聚乙烯微塑料的粒徑和含量明顯降低,這可能發(fā)生了生物降解。然而,截至目前尚未有關于蚯蚓腸道生物降解聚乙烯的報道。

1.3 聚乙烯對植物的影響

微塑料可以改變土壤理化性質和土壤生物活性,進而對植物的生長產生影響。一般而言,聚乙烯微塑料會對植物產生毒性導致植物的生長和種子的萌發(fā)受到影響。微塑料一般會吸附到植物種子的表皮和根系表面,干擾植物對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收和轉運,影響植物的正常生長。Qi等[18]研究發(fā)現(xiàn),1%的低密度聚乙烯(6.9 mm×6.1 mm)明顯降低小麥的生物量、結實率和根冠比,而生物量和根莖長度是衡量聚乙烯毒性的重要指標,這表明聚乙烯對小麥生長表現(xiàn)出較強的毒性。聚乙烯粒徑的不同對不同植物的生長影響可能會有所差異。10,50和100 mg/L的微米級聚乙烯塑料均明顯抑制蠶豆生長,而僅有100 mg/L的納米級聚乙烯可以抑制蠶豆生長,其中納米級的聚乙烯對蠶豆的毒性較微米級更大[19]。在沙培條件下,粒徑為0.106～0.15 mm的高密度聚乙烯對綠豆生長無抑制作用,而粒徑為0.023～0.038 mm時明顯抑制綠豆生長[20]。Wang等[21]用不同粒徑(6.5和13 μm)和濃度(0,10,50,100,200和500 mg/L)的聚乙烯微塑料顆粒處理大豆和綠豆,研究其對大豆和綠豆萌發(fā)的影響,結果發(fā)現(xiàn)不同濃度的聚乙烯微塑料對大豆干重均有抑制作用,且隨著濃度的增加抑制作用逐漸減弱。13 μm粒徑的聚乙烯微塑料抑制大豆根的伸長生長且抑制作用與濃度呈正相關,而促進綠豆根的伸長生長且促進程度與濃度呈正相關。

聚乙烯的降解是一個長期的過程,從現(xiàn)有研究來看,目前關于農田土壤中聚乙烯微塑料對土壤和植物的影響研究主要集中在實驗室內,對于自然狀況下聚乙烯的影響研究比較缺乏,因此,需要對不同條件下聚乙烯的降解過程進行安全評價,以評估其潛在的生態(tài)風險和環(huán)境影響。

2 聚乙烯的生物降解

2.1 聚乙烯的生物降解過程

聚乙烯塑料有兩種類型的降解,一種是由溫度、紫外線等環(huán)境因素導致的非生物降解,另一種是由微生物作用引起的生物降解。微生物降解聚乙烯的過程是由微生物分泌降解酶,最終將聚乙烯水解成可二氧化碳和水的過程。該過程大致分為四個階段:(1)微生物分泌胞外黏性物質吸附在聚乙烯表面,形成生物膜;(2)微生物分泌水解酶使聚乙烯長鏈斷裂形成小分子烴鏈;(3)小分子烴鏈轉化為脂肪酸等中間產物;(4)脂肪酸等在微生物作用下分解成二氧化碳和水[22]?？傮w而言,聚乙烯的生物降解過程主要包括氧化式生物降解和水合式生物降解這兩種機制。無論何種機制,都是先進行化學分解再進行生物降解,最終產生二氧化碳和水,完成整個降解過程,其中水合式生物降解過程中還有甲烷產生[23]。

2.2 參與聚乙烯降解的微生物

自上世紀70年代以來,研究者已經(jīng)觀察到多種微生物降解聚乙烯的現(xiàn)象并從陸地、海洋、動物腸道等不同生境中分離出能夠降解聚乙烯的微生物。細菌是自然界中數(shù)量最多的微生物,具有不同的功能。Devi等[24]從垃圾堆置點分離出140個對聚乙烯有降解能力的細菌菌株,其中芽孢桿菌屬和假單胞菌屬對聚乙烯的降解效果最好。除細菌之外,研究者也發(fā)現(xiàn)真菌可以降解聚乙烯材料,真菌又以霉菌為主。由于真菌的代謝產物豐富、產生的酶種類豐富、酶活性高,且真菌獨有的菌絲使其具有較強的穿透能力,因此真菌的降解性能明顯優(yōu)于細菌和放線菌[25]。擬青霉、葡萄穗霉屬、黑曲霉、木霉屬、鐮刀菌屬、煙曲霉菌、土曲霉等均可以有效降解經(jīng)紫外線處理的線性低密度聚乙烯材料[26-27]。能夠被真菌降解的聚乙烯數(shù)均分子量多介于幾百到幾萬,將重均分子量400 000的聚乙烯粉末暴露在自然環(huán)境中7 d后,李夏等[28]分離出一株能利用該聚乙烯粉末的桔青霉,且桔青霉對傳統(tǒng)聚乙烯地膜有較好的降解能力。目前,微生物尚不能在較短時間內高效降解未經(jīng)處理的聚乙烯塑料[29]。因此,在微生物降解前需要對聚乙烯塑料進行光、熱、化學氧化等前處理以加速其降解進程,光處理則是提高微生物降解塑料的有效方法[30]。

在聚乙烯微生物降解研究中,研究者們均致力于篩選高效塑料降解菌,但是單一菌株在降解聚乙烯的過程中產生的中間產物或最終產物積累可能具有更高的潛在毒性,從而使單菌株的降解在后期受到抑制。因此,利用多株菌的混合體系構建一個穩(wěn)定的微生物混菌體系能夠消除毒性代謝物對單一降解菌的影響,從而實現(xiàn)聚乙烯的高效降解。Han等[31]研究發(fā)現(xiàn),櫛桿菌(Arthrobactersp.)和鏈霉菌(Streptomycessp.)均能獨自降解聚乙烯薄膜;但將菌株接種到含有聚乙烯薄膜的溶液中發(fā)現(xiàn),櫛桿菌在溶液介質中生長,鏈霉菌則粘附在聚乙烯薄膜表面,這兩種不同的代謝方式為微生物聯(lián)合降解聚乙烯提供新的可能。Esmaeili等人[32]發(fā)現(xiàn)混合培養(yǎng)賴氨酸芽孢桿菌和黑曲霉菌時,其對于聚乙烯的降解效果大于單獨菌株的降解效果;芽孢桿菌和紅球菌已被證實對聚乙烯具有良好的降解效果,Auta等人[33]發(fā)現(xiàn),芽孢桿菌和紅球菌的混合菌群對聚乙烯的降解效果明顯優(yōu)于單菌株。由4種芽孢桿菌菌株組成的混菌體系在140 d內可降解58.2%和46.6%的低密度聚乙烯和高密度聚乙烯,而單菌株僅可降解20%左右的聚乙烯[34]。這為聚乙烯的高效降解提供了新的思路。然而關于混菌降解聚乙烯的研究仍然較少,且取得的降解效果不顯著,因而在聚乙烯地膜的混合菌群降解方面仍需探究。

3 結論

農業(yè)生產中對聚乙烯地膜有較大的需求和依賴,由于對地膜的回收比較困難導致大量殘膜在土壤中累積。聚乙烯在自然條件下難以降解的現(xiàn)狀導致土壤理化性質改變,影響土壤微生物和土壤動物活性并進而對植物的生長發(fā)育產生毒性,最終可能導致土壤生態(tài)系統(tǒng)的失衡。由此,聚乙烯微塑料產生的生態(tài)影響和導致的環(huán)境風險已被廣泛關注。為了降低聚乙烯的危害,當前已經(jīng)采用了多種方法處理聚乙烯,其中生物降解具有無污染、效率高的特點。目前研究者已經(jīng)分離出多種能夠降解聚乙烯的微生物,細菌和真菌等能夠以聚乙烯為唯一碳源,并將其最終轉化為二氧化碳和水,實現(xiàn)聚乙烯的生物降解。然而基于當前的研究,關于聚乙烯的生物降解可以從以下幾方面入手:

(1)進一步開展微生物降解聚乙烯的機制研究,尤其是混合菌株如何降解聚乙烯,探索高效降解聚乙烯的菌株,提高聚乙烯的降解效率。

(2)加強聚乙烯經(jīng)過微生物降解后產生的微塑料的研究,綜合不同因素充分考量微塑料對農田土壤和植物的綜合影響,全面評估微塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響和生態(tài)風險。

(3)開發(fā)能夠替代聚乙烯的生物降解產品,推廣使用可降解塑料地膜,降低聚乙烯的使用量,實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。