生物和非生物因素對蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的影響研究

向 黎,楊 杰,涂 晨,張道勇,駱永明①

1.浙江工業(yè)大學環(huán)境學院環(huán)境生態(tài)與工程研究所,浙江杭州 310014;2.中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所),江蘇 南京 210008;3.中國科學院大學,北京 100049〕

塑料因其具有使用便捷、耐腐蝕和多用途等優(yōu)點而被廣泛應用于人類生產(chǎn)生活中。據(jù)統(tǒng)計,全球塑料年產(chǎn)量已經(jīng)從1950年的1.7億t增至2021年的3.9億t,同時也造成了塑料垃圾不斷增多[1]。然而,目前塑料垃圾回收率不到10%,大部分塑料垃圾被填埋或隨意丟棄而進入環(huán)境[2]。在機械磨損和生物降解等作用下,環(huán)境中塑料逐漸風化破碎成微塑料[3]。微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料類污染物,其形態(tài)主要有碎片、纖維、顆粒、發(fā)泡和薄膜等[4]。微塑料作為一種新污染物所造成的環(huán)境污染問題已經(jīng)受到廣泛關注。陸地是塑料生產(chǎn)的源頭,同時也是微塑料重要的匯集區(qū)[5],每年進入土壤中的微塑料可能是海洋的4～23倍[6]。微塑料在全球土壤中普遍存在,特別是人為活動頻繁的農(nóng)田土壤[7]。農(nóng)田土壤中微塑料的主要來源包括農(nóng)膜使用、污水灌溉、污泥和有機肥施用等,常見的聚合物類型包括聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚氯乙烯(polyvinylchloride,PVC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)和聚苯乙烯(polystyrene,PS)等[8]。長期積累在土壤中的微塑料會對土壤及其中的動物、植物和微生物產(chǎn)生不利影響[9]。因此,農(nóng)田土壤中微塑料污染問題應得到重視。

進入土壤中的微塑料會受到土壤動物擾動和植物根系作用而發(fā)生水平和垂向遷移。研究土壤中微塑料的遷移行為不僅有助于揭示其環(huán)境歸趨,而且對評估預測微塑料在土壤中的生態(tài)風險具有重要意義。作為土壤模式動物之一,蚯蚓常被用于研究生物擾動下土壤中微塑料的遷移。HUERTA-LWANGA等[10]的研究結果顯示,土壤中PE微塑料會隨著蚯蚓的運動而遷移至其洞穴中,而在蚯蚓的排泄物中也發(fā)現(xiàn)PE微塑料顆粒(尺寸小于150 μm),這表明蚯蚓可以吞食PE微塑料[11]。蚯蚓主要通過兩個途徑使土壤中微塑料發(fā)生遷移:(1)微塑料顆粒附著在蚯蚓表面并隨著蚯蚓的行為(挖洞等)而被遷移;(2)蚯蚓攝入微塑料并通過蚯蚓活動和排泄而被遷移[12]。不同植物的根系也會影響土壤中微塑料的遷移。LI等[13]研究發(fā)現(xiàn),與玉米粗根相比,黑麥草細根使微塑料更易于保留在植物根際。另一方面,微塑料在土壤中的遷移也受到微塑料類型、土壤性質和暴露條件等非生物因素的影響。REN等[14]通過柱試驗發(fā)現(xiàn),砂質土壤中微塑料的垂向遷移量高于黏壤土,這是由于黏壤土富含鐵礦物,帶正電荷的鐵使微塑料與土壤之間的靜電吸引作用增強而較難發(fā)生遷移。農(nóng)田土壤是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng),目前僅有的模擬真實土壤中微塑料遷移的研究只關注單一生物擾動(動物運動或植物根系)對土壤中不同尺寸、形狀微塑料遷移的影響[15],對于生物和非生物因素是否影響蚯蚓驅動土壤中微塑料遷移行為的認識非常有限。

鑒于此,筆者以PS等微塑料和蚯蚓為主要研究對象,采用中宇宙試驗裝置模擬農(nóng)田土壤中微塑料的垂向遷移,探究生物因素(跳蟲、蚯蚓密度、玉米根系)和非生物因素(微塑料的類型和老化、暴露時間、淹水)對蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的影響,旨在為認識農(nóng)田土壤中微塑料的遷移規(guī)律提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自山西省大同市(39°58′ N,113°25′ E)農(nóng)田表層土壤,屬粉砂壤土。土壤經(jīng)室溫風干后過2 mm孔徑篩備用。土壤pH為8.39,有機質含量為21.63 g·kg-1,全氮含量為1.09 g·kg-1,全磷含量為0.79 g·kg-1。土壤的顆粒組成:黏粒(<2 μm)質量分數(shù)w為16.69%,粉粒(2～50 μm)w為55.67%,砂粒(>50～20 000 μm)w為 27.64%。

供試w為30% H2O2溶液購自國藥集團化學試劑有限公司(上海),氯化鈉(NaCl)購自魯鹽集團有限公司(山東),無水碘化鈉(NaI)購自奧普升化工有限公司(天津)。

供試蚯蚓為赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida),購自三百畝蚯蚓生態(tài)養(yǎng)殖園(云南)。試驗前,將所購蚯蚓于清潔土壤中預培養(yǎng),選擇體態(tài)健康、環(huán)帶發(fā)育完全的成年蚯蚓(平均體重約為400 mg)用于試驗。供試跳蟲為白符跳(Folsomiacandida),由中國科學院南京土壤研究所提供,體長為1～1.5 mm。供試玉米(Zeamays)種子購自河南云秋種業(yè)有限公司,品種為鄭單958。

供試微塑料為PS、老化PS、PE和PET,均為不規(guī)則顆粒。其中,PS微塑料顆粒購自上海陽勵機電科技有限公司,老化PS由PS在紫外光波長為340 nm、輻[射]照度為1 W·m-2、溫度為50 ℃的紫外老化箱(ZH-XUV-115,東莞市正航儀器設備有限公司,中國)內老化20 d后制得。PE塑料購自萊州市永茂塑料廠,PET塑料來源于生活中所用塑料瓶。PE和PET塑料經(jīng)液氮冷凍后用粉碎機破碎,通過篩網(wǎng)篩分制得微塑料。

1.2 微塑料性質測定

供試微塑料采用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-4800,Hitachi,日本)觀察微塑料表面形貌,并用Image J軟件測量粒徑;采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet-iS5,Thermo,美國)對微塑料進行表征,分辨率為4.0 cm-1,掃描次數(shù)為32次,波長范圍為650～4 000 cm-1;采用納米電位粒度儀(ZS90,Malvern,英國)測定微塑料Zeta電位。微塑料基本性質見表1。

表1 不同類型微塑料的基本性質

1.3 試驗設計

試驗添加的微塑料質量分數(shù)為1%,具體試驗設計見表2,共設置15個處理。依據(jù)不同處理,分別在中宇宙(20 cm×3 cm×30 cm,圖1)試驗裝置中進行14(短期)和28 d(長期)的試驗。淹水處理需在試驗7和13 d時進行,具體淹水方式:加去離子水至淹沒土壤表面約3 cm,淹水2 h后,去離子水退去。

表2 試驗處理設置

暴露條件:晝夜時間比設置為16 h∶8 h,溫度為(28±1) ℃。暴露期間,所有裝置均用錫箔紙包裹,避免光照影響蚯蚓在土壤中的活動,用土壤水分速測儀(山東方科儀器有限公司)保持土壤含水量為25%～30%,并補充損失的水分。試驗結束后,將樣品放入-20 ℃冰箱速凍24 h。根據(jù)HUERTA LWANGA等[11]和RILLIG等[12]研究中土壤分層方式并結合試驗裝置深度,將土壤分為0～5(L1)、>5～10(L2)、>10～15(L3)和>15～20 cm(L4)4層,依次沿縱向采集土樣,每個處理組設置2個平行。

L1:0～5 cm;L2:>5～10 cm;L3:>10～15 cm;L4:>15～20 cm。

1.4 試驗步驟

將蚯蚓放置在鋪有潤濕濾紙的培養(yǎng)皿中,用錫箔紙包裹,避光清腸2 d,其中,每隔8 h更換一次濾紙,以免蚯蚓重新攝取排泄物。玉米種子用質量分數(shù)w為10%的H2O2溶液消毒,放置在鋪有濾紙并經(jīng)高溫滅菌的培養(yǎng)皿中,將培養(yǎng)皿放入人工氣候室中育苗,待玉米生出主根后移入供試土壤中。微塑料添加到土壤中的方式有2種:(1)將微塑料、少量土和蚯蚓食物均勻鋪設在土壤表面,將土壤動物添加在裝置中并放置于人工氣候室中;(2)將微塑料、一部分試驗用土、蚯蚓食物均勻混合,形成含有微塑料的5 cm表層土壤,隨后將玉米幼苗和土壤動物放入裝置中并放置于人工氣候室中。

0表示沒有;蚯蚓數(shù)量為6條;1/2 蚯蚓表示蚯蚓數(shù)量為3條;跳蟲數(shù)量為150只;玉米幼苗數(shù)量為6株。處理組1、5、6,1、8,以及1、9、10分別研究跳蟲、蚯蚓密度、植物根系對蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的影響;處理組1、2、3,1、4,1、7,以及8、11分別研究微塑料類型、老化作用、暴露時間、淹水對蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的影響。PS為聚苯乙烯,PE為聚乙烯,PET為聚對苯二甲酸乙二醇酯。

1.5 土壤中微塑料的分離

采用飽和氯化鈉或碘化鈉溶液密度浮選分離的方法提取土壤樣品中微塑料。參照LIU等[17]的方法,將烘干的土壤樣品置于燒杯中,加入配制好的飽和氯化鈉(浮選PS、PE和老化PS)或碘化鈉(浮選PET)溶液,充分攪拌后靜置,然后用蠕動泵抽濾上清液于濾膜(20 μm,Millipore,美國)上,重復3次。密度浮選分離后,用w為30% H2O2溶液將濾膜上的微塑料沖洗到燒杯中,加入w為30% H2O2溶液,然后置于60 ℃數(shù)顯恒溫水浴鍋(常州丹瑞實驗儀器設備有限公司)中消解約36 h。完全消解后,再次抽濾消解后的溶液,將濾膜烘干,在光學顯微鏡(SMZ25,尼康,日本)下挑除雜質,稱重并記錄。

1.6 測量指標及計算公式

1.6.1微塑料留存率

微塑料留存率(R)計算公式為

(1)

式(1)中,R為微塑料留存率;n為試驗結束后從特定土壤層回收的微塑料質量,mg;N為試驗中從土壤層(除去土壤表層)回收的微塑料總質量,mg。

1.6.2蚯蚓生長速率

清腸2 d和裝置解凍后的蚯蚓用去離子水清洗并用濾紙吸去表面水分后稱量,蚯蚓生長速率(G,mg·條-1·d-1)計算公式為

(2)

式(2)中,Wt為裝置解凍后蚯蚓平均體重,mg;W0為清腸2 d后蚯蚓平均體重,mg;n為蚯蚓數(shù)量,條;t為暴露時間,d。

1.6.3羰基指數(shù)

羰基指數(shù)(CI,IC)通常用于粗略表征聚合物中羰基含量,也可用于衡量微塑料老化程度[18]。PS微塑料的CI計算公式[19]為

(3)

式(3)中,A1為1 715～1 735 cm-1范圍內最高吸光度;A2為1 452 cm-1處吸光度。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行處理,所有數(shù)據(jù)均用平均值(Mean)±標準差(SD)表示。采用Origin 2022制圖。

2 結果與分析

2.1 微塑料對蚯蚓生長的影響

通過分析蚯蚓生長速率變化評估微塑料暴露是否會影響蚯蚓活動,進而影響其對微塑料的垂向遷移能力。結果表明,將微塑料暴露于土壤表面后,蚯蚓生長速率均為負值(表3),說明蚯蚓體重有所降低,其生長受到了不同程度的影響。與未添加微塑料的對照組相比,添加PS和PET微塑料對蚯蚓的生長影響較大,而添加PE微塑料對蚯蚓的生長影響最小。暴露時間增加未能緩解PS微塑料對蚯蚓生長的影響,而與新鮮微塑料相比,老化PS微塑料對蚯蚓生長速率的影響顯著降低。

表3 微塑料對蚯蚓生長的影響

2.2 生物因素對蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的影響

生物因素對蚯蚓驅動土壤中PS微塑料垂向遷移的影響見圖2。結果表明,僅添加跳蟲時,微塑料全部留存在表層土壤(L1);與僅蚯蚓存在相比,添加跳蟲后微塑料在深層土壤(L2～L4)中留存率增加22.13個百分點,微塑料在L2、L3和L4土壤層的留存率分別為33.55%、4.71%和0.80%(圖2)。添加跳蟲促進了蚯蚓對微塑料在土壤中的垂向遷移。隨著蚯蚓密度的增加,深層土壤(L2～L4)中微塑料的垂向遷移增加。當蚯蚓密度增加1倍時,微塑料在深層土壤(L2～L4)中的留存率增加1.3倍,其中,在L2、L3和L4土壤層中的留存率分別增加7.34、1.65和0.67個百分點(圖2)。此外,玉米根系的生長降低了蚯蚓對微塑料向深層土壤(L2～L4)的垂向遷移。與對照相比,玉米根系的生長對微塑料的垂向遷移無顯著影響;與僅蚯蚓驅動相比,玉米根系生長條件下在L2、L3和L4土壤層中微塑料留存率分別減少10.26、2.51和0.86個百分點(圖2)。

2.3 非生物因素對蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的影響

非生物因素對蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的影響見圖3。結果表明,不同類型微塑料在土壤中的垂向遷移能力不同。41.8%的PE微塑料可垂向遷移到深層土壤(L2～L4),PE在L2、L3和L4土壤層的留存率分別為35.64%、5.38%和0.78%,在3種微塑料中PE垂向遷移到深層土壤(L2～L4)中最多;其次是PS微塑料在土壤中的垂向遷移,有16.93%的PS垂向遷移到深層土壤(L2～L4)中,在L2、L3和L4土壤層的留存率分別為13.43%、2.61%和0.89%;11.71%的PET微塑料垂向遷移到深層土壤(L2～L4),在3種微塑料中其垂向遷移到深層土壤中最少(圖3)。與PS微塑料在土壤中的垂向遷移相比,老化未明顯改變蚯蚓對土壤中微塑料的垂向遷移能力(圖3)。微塑料在土壤表面暴露28 d后,38.31%的微塑料垂向遷移到深層土壤(L2～L4)中,在L2、L3和L4土壤層的留存率分別為27.90%、8.53%和1.88%,是暴露14 d的處理組的2～3倍(圖3),表明隨著暴露時間的增加,更多的PS微塑料被蚯蚓垂向遷移到深層土壤(L2～L4)中。此外,淹水使微塑料在L2、L3和L4土壤層中的留存率分別增加3.36、0.92和0.89個百分點(圖3),表明淹水促進了蚯蚓將微塑料向深層土壤中的垂向遷移。

PS為聚苯乙烯,PE為聚乙烯,PET為聚對苯二甲酸乙二醇酯。

3 討論

進入田間土壤的微塑料會首先在表層土壤中積累,例如,CORRADINI等[20]報道了田間污泥的使用會導致表層土壤中微塑料含量增加。微塑料通過水分入滲和土壤動物活動沿著土壤剖面垂向遷移[21]。筆者研究結果表明,蚯蚓在土壤中的行為極大程度地促進了微塑料在土壤中的垂向遷移,隨著土壤深度的增加,微塑料的垂向遷移量逐漸降低,這與YU等[22]研究結果一致。前人研究表明,跳蟲(Folsomiacandida)可以將脲醛微塑料(<200 μm)附著在腿部或頭部并將其水平遷移至4 cm以外的地點[23]。微塑料可通過附著在跳蟲表皮,并隨跳蟲的活動如爬行和跳躍而被遷移,或被跳蟲攝入并在排泄過程中被遷移[24]。例如,KIM等[25]研究發(fā)現(xiàn),跳蟲可以吞食尺寸小于66 μm的微塑料;RILLIG[26]指出跳蟲會通過刮擦或咀嚼作用將塑料碎片轉移進入土壤中。筆者研究結果表明,添加跳蟲可促進蚯蚓垂向遷移土壤中微塑料,這可能是跳蟲攜帶微塑料沿著蚯蚓洞穴向深層土壤中垂向遷移所致。此外,筆者研究結果還顯示,增加蚯蚓密度可以增強蚯蚓在土壤中的挖洞等活動,使土壤孔隙度增大,致使深層土壤中微塑料數(shù)量在一定范圍內增加,這與張曉婷[15]的研究結果相似,說明蚯蚓密度在一定范圍(8.55～28.49條·m-2)內會增加微塑料在土壤中的垂向遷移;但蚯蚓數(shù)量過多(45.58條·m-2)時,會導致個體間發(fā)生競爭,生存空間減少,致使蚯蚓的活動能力或生存力降低,并可能導致蚯蚓死亡,從而降低微塑料向土壤深層的垂向遷移。

盡管目前對生物擾動下土壤中微塑料垂向遷移的研究較多,但對植物根系生長是否會影響蚯蚓驅動土壤中微塑料的垂向遷移仍然未知。筆者研究表明,植物根系的生長有利于將微塑料保留在表層土壤,從而減少蚯蚓向深層土壤中垂向遷移微塑料,其原因可能與植物根系生長以及蚯蚓的生活習性有關。在試驗過程中,玉米根系主要在土壤L1層(0～5 cm)中生長(圖4a、b),這主要是因為玉米根系是水平生長而非垂直生長[13],從而不利于微塑料的垂向遷移。此外,植物根際是土壤動物活動的熱點區(qū)域[27],蚯蚓等土壤動物偏向于在有機質相對豐富的耕層土壤中活動,而在土壤深層的活動減少(圖4b、c、d),從而減少了微塑料向更深層土壤中的垂向遷移。因此,植物根系的生長有助于降低蚯蚓驅動微塑料向深層土壤垂向遷移的風險,但會導致微塑料在表層土壤中積累。

a—暴露14 d(處理9,僅植物根系存在);b—暴露14 d(處理10,蚯蚓擾動和植物根系共同存在);c—暴露14 d(處理7,僅蚯蚓擾動存在,試驗14 d時拍照);d—暴露28 d(處理7,僅蚯蚓擾動存在,試驗28 d時拍照)。

除生物因素以外,微塑料的性質(尺寸、形狀、密度、電荷和表面化學)和環(huán)境條件的變化也會影響微塑料在土壤中的遷移[28]。筆者研究中PE微塑料向深層土壤中垂向遷移最多,其次是PS和PET,這可能與微塑料對蚯蚓生長的影響和微塑料的Zeta電位有關。首先,筆者研究所用微塑料粒徑范圍為100～300 μm,此與RILLIG等[12]和YU等[22]的研究相比,筆者研究所用微塑料粒徑范圍更小,因此更易被蚯蚓垂向遷移,此時粒徑對微塑料在土壤中垂向遷移的影響較小。其次,微塑料會影響蚯蚓在土壤中的生長和運動能力[29],不同類型微塑料對蚯蚓生長和運動能力的影響有所差異。筆者研究中,PE微塑料對蚯蚓的生長影響最小(表3),導致蚯蚓向深層土壤垂向遷移PE最多。最后,受Zeta電位的影響,不同微塑料與土壤顆粒之間產(chǎn)生勢能的差異,影響了微塑料在土壤中的垂向遷移[30];在挖洞和覓食等活動過程中,蚯蚓體表黏液在降低土壤黏附性和摩擦阻力方面起著重要作用[31],不同類型微塑料Zeta電位的差異可能會導致蚯蚓黏液對微塑料的黏附作用不同[15],進而造成微塑料在土壤中垂向遷移行為的差別。

環(huán)境中的塑料可能通過物理化學或生物風化過程發(fā)生碎裂和降解,從而形成微塑料或納米塑料[32]。PS微塑料長期暴露于紫外光照下,會導致C—H鍵裂解,形成自由基,并最終產(chǎn)生含氧官能團,破碎成更小的碎片[33]。這些變化可導致老化PS微塑料在土壤環(huán)境中的遷移增強[34]。筆者研究表明,與未老化PS微塑料相比,老化PS微塑料表面變得粗糙(圖5a、b),但老化并未明顯改變蚯蚓垂向遷移土壤中微塑料,其原因可能是筆者研究中微塑料老化時間較短,導致老化PS的羰基和羥基區(qū)域變化較小(圖5c、d)。經(jīng)計算,未老化和老化PS微塑料的羰基指數(shù)分別為0.19和0.24,表明PS微塑料的老化程度不明顯。實際農(nóng)田土壤中的微塑料需要經(jīng)過長期的紫外線輻射和風化等作用才能發(fā)生破碎和裂解,筆者研究中老化時間相對較短,老化程度不明顯,因此,有必要進一步研究長期老化對蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的影響。

a—PS微塑料,b—老化PS微塑料,c—羰基區(qū)域,d—羥基區(qū)域。

暴露時間是影響蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的重要因素之一。HEINZE等[35]的研究表明:土壤中微塑料暴露7 d后,w為0.3%的聚苯乙烯納米塑料被蚯蚓遷移到15～29 cm土層;當暴露時間增加到28 d時,w為2.9%的納米塑料出現(xiàn)在該土層。筆者研究發(fā)現(xiàn),與短期暴露相比,長期暴露的蚯蚓洞穴數(shù)量增加(圖4c、d),此與HUERTA LWANGA等[10]的研究結果類似。因此,暴露時間的增加導致更多和更深洞穴出現(xiàn),使更多的微塑料被垂向遷移到深層土壤中。淹水也是影響蚯蚓促進土壤中微塑料垂向遷移的重要因素之一。淹水模擬了降雨過程,降雨及降雨滲透影響土壤中微塑料的垂向遷移。O′CONNOR等[36]通過模擬試驗證明了干濕循環(huán)次數(shù)與微塑料在土壤中的滲透深度之間存在正線性相關,并根據(jù)我國347個城市的氣象信息估算微塑料100年的平均滲透深度將達到5.24 m。筆者研究表明,淹水對蚯蚓從土壤表面向更深土壤中垂向遷移微塑料有促進作用,淹水使微塑料通過土壤孔隙和蚯蚓洞穴隨水勢向下移動[37],微塑料垂向遷移最終可能會污染地下水[38]。

4 結論

綜上所述,蚯蚓活動影響土壤中微塑料的垂向運輸行為,這種影響隨土壤深度的增加而降低。生物和非生物因素都能影響蚯蚓驅動土壤中微塑料的垂向遷移能力。跳蟲可攜帶微塑料沿著蚯蚓洞穴遷移,對蚯蚓驅動土壤中微塑料的垂向遷移產(chǎn)生積極影響;隨著蚯蚓密度的增大,深層土壤中微塑料數(shù)量在一定范圍內增加;植物根系能夠將微塑料保留在表層土壤,減少蚯蚓向深層土壤中垂向遷移微塑料。微塑料類型會影響其在土壤中的垂向遷移,PE微塑料垂向遷移得最多,其次是PS微塑料和PET微塑料;短期老化對微塑料表面性質影響較小,對蚯蚓驅動土壤中微塑料的垂向遷移沒有明顯影響;暴露時間增加導致更多和更深的蚯蚓洞穴出現(xiàn),淹水可使微塑料通過土壤孔隙和蚯蚓洞穴隨水勢移動,促進蚯蚓垂向遷移土壤中微塑料。農(nóng)田土壤中微塑料可在土壤動物擾動和植物根系作用下發(fā)生遷移,未來有必要進一步研究不同植物根系、不同農(nóng)田土壤類型以及微塑料長期老化對蚯蚓驅動土壤中微塑料垂向遷移的影響,為認識農(nóng)田土壤中微塑料的遷移規(guī)律提供科學依據(jù)。