土壤中微/納塑料的生物健康效應和食物鏈傳遞風險

馮裕棟,楊 杰,涂 晨,李連禎,李瑞杰,4,潘響亮,駱永明①

1. 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;2. 中國科學院大學,北京 100049;3. 青島大學環(huán)境科學與工程學院,山東 青島 266071;4. 中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,甘肅 蘭州 730000;5.浙江工業(yè)大學環(huán)境學院,浙江 杭州 310000〕

微/納塑料污染已成為嚴重的全球性生態(tài)環(huán)境問題。通常微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒,納塑料是指粒徑小于100 nm的塑料顆粒,但也有學者認為納塑料的粒徑上限應該設置為1 000 nm[1]。據(jù)統(tǒng)計,1950—2015年間,全球共產(chǎn)生6.3億t塑料垃圾,其中79%的塑料垃圾會進入垃圾填埋場或自然環(huán)境中,只有9%被回收利用[2]。據(jù)估計,每年向陸地釋放的塑料量是向海洋釋放量的4～23倍[3]。陸地土壤是微/納塑料重要的匯,近年來土壤微/納塑料污染問題日益受到關注。筆者通過統(tǒng)計分析 2020年1月至2022年7月間發(fā)表的有關土壤微/納塑料的中英文論文(中文論文163篇,英文論文477篇),并通過構建關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖(圖1)發(fā)現(xiàn),微/納塑料的土壤生物健康效應是目前研究的熱點,也將是未來研究的趨勢。

陸地土壤中微/納塑料污染源多,不僅包括大氣沉降和道路徑流(包括輪胎磨損顆粒),還包括塑料垃圾堆積、薄膜覆蓋、有機肥和化肥施用以及生活污泥的土地處理等人為源[4-5]。其中,農(nóng)業(yè)土壤中微/納塑料很大一部分來自農(nóng)用地膜的破碎。據(jù)REN等[6]的研究估算,2018年中國農(nóng)用地膜的使用貢獻約為4.9×106～1.0×107t微塑料,占農(nóng)用土壤微塑料總量的10%～30%。由于塑料在土壤中難以降解,會持久地存在于土壤中。當土壤中微/納塑料累積到一定水平后會對土壤容重、土壤團聚體、土壤pH、孔徑分布和水力傳導性產(chǎn)生影響[7-9]。此外,微塑料在環(huán)境中受到物理、化學和生物作用會不斷破碎形成更小的顆粒,對生物的毒性也會隨著顆粒粒徑的變小而增強[4]。與此同時,在塑料破碎過程中,塑料中的添加劑,如阻燃劑、增塑劑、紫外線穩(wěn)定劑、抗氧化劑和殘留單體等化學品會持續(xù)地釋放進入土壤中,影響土壤生物的生殖和發(fā)育[10-11]。微/納塑料具有表面疏水性強、比表面積大等特點,可以作為重金屬、有機污染物和病原菌等污染物的載體,隨著微/納塑料在土壤更大范圍內(nèi)共遷移,并對陸生生物的健康產(chǎn)生復合效應[12-14]。更讓人擔憂的是,一部分微/納塑料會進入陸生食物鏈,生菜、小麥和黃瓜等陸生植物會將土壤中的微/納塑料從根部吸收轉(zhuǎn)移到地上部分[15-16]。蚯蚓、蝸牛和雞等陸生動物則會將微/納塑料當作食物誤攝入體內(nèi)[17-19]。因此,有關微/納塑料對土壤生物健康效應和食物鏈傳遞風險問題越來越受到關注。

近年來,有關土壤微/納塑料的綜述主要集中在對微/納塑料的分離、鑒定、來源和分布等方面,有關土壤微/納塑料對土壤生物健康效應方面的問題較少涉及,尤其是微/納塑料的食物鏈傳遞風險研究[20-23]。鑒于此,該文著重綜述了土壤中微/納塑料的賦存狀態(tài),土壤中微/納塑料的食物鏈傳遞風險,土壤中微/納塑料對植物、動物和微生物的毒性效應,以及微/納塑料的生態(tài)風險評估框架4個方面的研究進展,并對未來研究方向及重點進行展望,為土壤中微/納塑料污染的生物健康效應研究、食物鏈傳遞風險評估和監(jiān)管政策制定提供科學依據(jù)與指導。

1 土壤中微/納塑料的賦存特征

微/納塑料普遍存在于土壤環(huán)境中,例如沿海、漫灘、濕地、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等多種類型土壤中都檢測到不同種類、粒徑和豐度的微/納塑料[23-24]。土壤中微/納塑料的主要成分是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS),形狀多為碎片或薄膜,塑料顆粒的粒徑主要集中在<500 μm范圍(表1[6,25-37])。但是土壤中微/納塑料含量多以豐度(個·kg-1)表示,沒有統(tǒng)一使用質(zhì)量含量(mg·kg-1)表示;又由于不同研究者采用的浮選分離方法、鑒定方法和質(zhì)量控制體系不同,使得數(shù)據(jù)的可比性差。近年來,研究者使用一致的方法進行大范圍土壤微/納塑料調(diào)查,可以進一步揭示不同地區(qū)土壤中微/納塑料的賦存特征。例如HU等[38]首次揭示全國范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤中微塑料的賦存特征,微塑料豐度范圍為25.56～2 067.78個·kg-1,轉(zhuǎn)換成平均質(zhì)量含量約為6.78 mg·kg-1,結(jié)果表明中國北部干旱或半干旱地區(qū)微塑料豐度較高,西南溫和地區(qū)相對較低。REN等[6]調(diào)查了全國19個省農(nóng)田土壤中的農(nóng)用地膜源微塑料〔PE和聚氯乙烯(PVC)〕后發(fā)現(xiàn),農(nóng)業(yè)大省山東、河南和安徽貢獻了全國50%以上的農(nóng)田地膜源微塑料。土壤中微/納塑料豐度在地區(qū)間差異大,并會在局部地區(qū)大量累積。這主要是由于農(nóng)用土壤的利用方式不同,例如長期使用農(nóng)膜、長期施用生活污泥和有機肥都會導致大量微/納塑料在土壤中累積。

表1 基于2020—2022年發(fā)表文獻的微/納塑料在土壤中的分布研究結(jié)果[6,25-37]

城市土壤中微/納塑料的賦存特征與農(nóng)業(yè)土壤有所不同,城市土壤中微塑料形狀主要是纖維(70%),因為纖維易從紡織品、地毯及其他軟家具表面脫落并進入環(huán)境中[39-40]。城市土壤中還存在大量輪胎磨損顆粒(tire wear particles,TWPs),TWPs主要分布在道路兩邊的土壤中,其豐度隨著距道路的距離增加而減小[41]。因此,需要明確不同地區(qū)或類型土壤中微/納塑料的賦存特征,為評估微/納塑料的陸地生態(tài)風險提供數(shù)據(jù)支撐。

土壤中的微/納塑料不僅存在地區(qū)差異,不同深度土壤中微/納塑料的賦存特征也不同。微/納塑料大多累積在表層土壤中,隨著土壤深度增加而減少。一項對我國農(nóng)業(yè)土壤的研究表明,0～5、>5～10和>10～15 cm不同深度土壤中微塑料平均豐度分別為435.67、367.44和272個·kg-1,微塑料豐度隨土壤深度的增加呈下降趨勢[38]。微塑料還會向更深層的土壤移動,最近的調(diào)查報告顯示,在新疆連續(xù)10年有地膜覆蓋的土壤深度40～80 cm處微塑料豐度為112個·kg-1[42]。連續(xù)32年有地膜覆蓋的土壤深度>80～100 cm處微塑料豐度可達2 268～3 529個·kg-1[43]。深層土壤也不可避免地受到微/納塑料的污染,而且相比表層土壤中微/納塑料更難以從土壤中清除,甚至會進入地下水[44]。土壤微/納塑料向地下深層遷移的因素主要有農(nóng)業(yè)活動(開墾)、自然條件(降雨)或土壤生物(蚯蚓)等。此外,微/納塑料的粒徑和形狀,以及土壤類型和理化性質(zhì)也會影響塑料顆粒遷移的距離。因此,需要進一步調(diào)查微/納塑料在深層土壤中的分布,特別是在植物根系周邊和土壤動物活動范圍內(nèi)的土壤。雖然在土壤中可檢測到大量微塑料,但因目前尚無有效的方法檢測土壤中的納塑料,導致納塑料在土壤中的賦存特征尚不清楚。納塑料具有粒徑小、比表面積大等特性,更容易在土壤中發(fā)生遷移,而且具有更大的生物毒性。

2 土壤中微/納塑料的食物鏈傳遞與風險

陸地植物和動物能否吸收微/納塑料一直是研究重點,這是研究微/納塑料在食物鏈中傳遞的基礎。有研究最早發(fā)現(xiàn)水培生菜(Lactucasativa)和小麥(Triticumaestivum)可通過側(cè)根間隙吸收0.2和2 μm的PS顆粒,且在砂質(zhì)土壤生長的植物根系也能吸收PS顆粒[15,45-46]。隨后,LIU等[47]觀察到水培水稻幼苗(Xiuzhan-15)可以吸收粒徑為80 nm和1 μm 的PS微球,而AUSTEN等[48]觀察到土培樺樹的根系可以吸收5～10 μm的微塑料顆粒。植物根系對微/納塑料的吸收不僅與塑料粒徑有關,還與塑料表面電荷有關。擬南芥(Arabidopsisthaliana)根系更易吸收帶負電荷的納塑料[49]。一旦微/納塑料被植物根系吸收,便會從根部轉(zhuǎn)移到其他植物器官中。目前的研究表明,植物體內(nèi)的微/納塑料主要集中在根部,只有少量微/納塑料會轉(zhuǎn)移到植物地上部分。據(jù)研究估算,黃瓜(Cucumissativus)幼苗根系吸收的納塑料向莖葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.02和0.16[50],而生菜和小麥根部微/納塑料向地上部分的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.14和0.09[45]。雖然目前采用的微/納塑料暴露濃度高于實際環(huán)境,且形狀為規(guī)則球形,但是從側(cè)面證實在自然環(huán)境中存在植物吸收土壤微/納塑料的途徑,更有可能通過土壤-植物-動物食物鏈傳遞(圖2)。目前,有關微/納塑料在土壤動物體內(nèi)吸收和累積的研究還較少,但是已有研究證實土壤無脊椎動物會攝食微/納塑料。蚯蚓是一種常見的毒性實驗模式生物。已有較多研究表明,蚯蚓會攝食不同粒徑和類型的微/納塑料。CHENG等[51]證實蚯蚓(Metaphireguillelmi)會攝食25 μm的高密度聚乙烯(HDPE)顆粒和13 μm的PP顆粒;CHEN等[52]證實蚯蚓(Eiseniafetida)會攝食粒徑<400 μm的低密度聚乙烯(LDPE)顆粒;蚯蚓(Enchytraeuscrypticus)還會攝食長達3 254 μm的PE纖維[53]。其他土壤無脊椎動物也會攝食微/納塑料,例如等足類動物(Porcellioscaber)會攝食50～2 653 μm的PE纖維[54],蝸牛(Achatinafulica)則會啃食大塊EPS泡沫[55]。但是微/納塑料在無脊椎動物體內(nèi)的吸收和累積的量目前尚不清楚。研究者還在雞的砂囊和羊的糞便中檢測到微/納塑料,說明微/納塑料已經(jīng)進入陸地脊椎動物體內(nèi)[18,56]。

圖2 土壤中微/納塑料的生物健康效應和食物鏈傳遞風險

微/納塑料能在海洋食物鏈中傳遞,從浮游植物到浮游動物,甚至到更高級的哺乳動物,并會在高等捕食者中富集[57-60]。目前,關于微/納塑料在陸地食物鏈中傳遞的研究還相當有限。PANEBIANCO等[61]首次從自然和養(yǎng)殖的可食用蝸牛(Helixaspersa和Helixpomatia)中發(fā)現(xiàn)微塑料的存在,每只蝸牛體內(nèi)大約含有(0.92±1.21)個塑料顆粒,說明蝸牛中的微塑料很有可能是通過土壤-植物-蝸牛這條食物鏈進入蝸牛體內(nèi)。HUERTA LWANGA等[18]通過調(diào)查家庭院落中土壤和動物體內(nèi)的微塑料豐度發(fā)現(xiàn),微塑料可以在家庭院落食物鏈中傳遞,即通過土壤-蚯蚓、土壤-雞和土壤-蚯蚓-雞食物鏈傳遞,且從土壤到蚯蚓糞、雞糞和砂囊的富集系數(shù)分別為12.7、105和5.1。雞的砂囊是人常吃的食物,這使得微塑料可能通過雞-人食物鏈進入人體。微/納塑料污染的食物可能會對捕食者產(chǎn)生影響。已有研究表明蝸牛(Achatinafulica)攝食納塑料污染的綠豆(Vignaradiata)會降低蝸牛的生長速度和攝食速度,不利于蝸牛生長[62]。特別值得注意的是像生菜這類直接被廣大人群食用的蔬菜。2022年的文獻報道,生菜暴露在微塑料含量為10 mg·kg-1的土壤中,最終生菜地上部分(以干重計)微塑料含量可達15.2 μg·g-1[45]。按中國生菜人均消耗量為171.94 g·人-1·日-1,生菜含水量w為95.6%[63],估計中國每人每天通過生菜攝食的微塑料可達115 μg。微/納塑料很有可能通過陸地食物鏈傳遞到人體,最終在人體內(nèi)累積。人類已經(jīng)不可避免地暴露在被微/納塑料污染的食物中。微塑料已經(jīng)在人體排泄物和組織中檢測到。ZHANG等[64]研究發(fā)現(xiàn)人體糞便中微塑料檢出率達95.8%,其含量為1～36 個·g-1,粒徑為20～800 μm。SCHWABL等[65]在所有人體糞便樣品中都檢測到微塑料,其含量為1.8～17.2 個·g-1,粒徑為50～500 μm,多為PP和PET塑料。人體攝入的微塑料大部分會被排泄出來,又進入到環(huán)境中。另一小部分則會殘留在腸道中,IBRAHIM等[66]在人結(jié)腸中檢測到PP、聚碳酸酯(PC)和聚酰胺(PA)塑料顆粒,96.1%為纖維狀微塑料,纖維似乎更容易殘留在腸道內(nèi),含量達(28.1±15.4)個·g-1。更小的一部分微/納塑料會穿透腸道屏障,進入血液循環(huán),最終會在人體器官中累積[67-68]。微/納塑料可能已經(jīng)廣泛存在于陸地食物網(wǎng)中,有必要對食物鏈中的不同營養(yǎng)級生物體內(nèi)微/納塑料豐度進行調(diào)查,以評估微塑料的污染程度,特別是微/納塑料在食物鏈中的富集效應,進而評估微/納塑料對陸地生命體的健康風險。

3 微/納塑料對土壤生物的影響

3.1 微/納塑料對陸地植物的影響

微/納塑料一旦在土壤中積累,就會影響植物的生長發(fā)育,例如發(fā)芽率、生物量和光合作用(表2[15,17,25,55,69-87])。出芽率是衡量微/納塑料對種子毒害的重要指標,塑料的粒徑、含量和類型都會影響植物種子發(fā)芽率。BOSKER等[74]研究顯示不同粒徑(0.05、0.5和4.8 μm)塑料均會推遲水芹(Lepidiumsativum)種子發(fā)芽。此外,1 000 μm PE顆粒對大豆(Glycinemax)種子發(fā)芽的抑制率比500 μm PE顆粒高22%,且土壤中微塑料豐度增加4%,大豆出芽率減少30%[76]。微/納塑料抑制植物種子發(fā)芽可能是由于微/納塑料顆粒累積在種子表面,堵塞種子表面氣孔,從而減少種子吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)[25]。但是LIAN等[88]觀察到當小麥(Triticumaestivum)種子暴露在100 nm的PS顆粒下時,種子發(fā)芽率沒有受到影響,這可能是由于納塑料在溶液中容易聚集沉淀,在種子表面吸附的納塑料顆粒減少。此外,小麥(Triticumaestivum)種子發(fā)芽率還與微塑料類型有關,不同微塑料類型對發(fā)芽的抑制率由大到小依次為HDPE、聚乳酸(PLA)和聚丙烯(PP)[70]。不同類型塑料在水溶液或土壤中會釋放不同的添加劑從而影響種子發(fā)芽。

表2 微/納塑料對土壤關聯(lián)的生物和食物鏈的影響[15,17,25,55,69-87]

微/納塑料也會影響植物地下和地上部分生物量。塑料顆粒會影響水芹根系生長,50 nm的塑料顆粒對水芹根的生長具有抑制作用,而500 nm的塑料顆粒則對根生長有促進作用[74]。此外,100 nm PS顆粒對小麥根生長有極顯著正效應(P<0.01),比對照組根生長提高1.9～2.2倍[88]。植物根系生物量還與塑料類型有關。暴露在HDPE塑料顆粒下黑麥草(Loliumperenne)根的生物量比暴露在PLA下的高45%[89]。微/納塑料對根生長的抑制作用一方面是由于微/納塑料顆粒易吸附在根系表面,可能堵塞細胞壁氣孔,破壞營養(yǎng)物質(zhì)的運輸;另一方面,微/納塑料的脅迫可對植物根系造成氧化損傷,甚至產(chǎn)生遺傳毒性[77]。微/納塑料促進植物地下部分生長的部分原因可能是塑料改變了土壤的物理性質(zhì)(容重和含水量),從而促進根系生長[80],其微觀機制仍需進一步探明。微/納塑料還會影響植物幼苗和莖的生物量,高質(zhì)量濃度(200 mg·L-1)PS 塑料顆粒會抑制水稻幼苗和小麥莖的生長,其抑制率分別為10.2%和13.7%[73]。低質(zhì)量濃度(50 mg·L-1)PS微球?qū)π←溓o生長則有促進作用[90]。小麥幼苗生長還受塑料聚合物類型的影響,PLA塑料對小麥幼苗抑制作用比HDPE和PE更大,這可能是由于PLA容易在土壤中降解釋放出單體或添加劑從而影響小麥生長[70]。目前,有關微/納塑料對植物生長發(fā)育的影響研究有待深入,多數(shù)還只通過水培試驗、高劑量短時間暴露來揭示微/納塑料對植物的影響,因而不能反映微/納塑料對土壤中植物的實際影響。

微/納塑料會進一步對植物光合作用造成影響。光合色素含量和光合速率可以反映植物光合作用的強弱。土培試驗中PS塑料在低濃度(0～50 mg·kg-1)條件下明顯促進小麥(Triticumaestivum)葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量的增加,而在高濃度(100 mg·kg-1)條件下則會抑制光合色素含量[90]。類似地,土培試驗中南瓜(Cucurbitapepo)葉片中光合色素含量和光合效率會隨著微塑料(PVC和PE)濃度增加而顯著降低[91]。另一項研究表明小粒徑(100 nm ～18 μm)PVC顆粒會促進生菜葉片中類胡蘿卜素合成,而大粒徑(18～150 μm)PVC則會抑制類胡蘿卜素合成[92]。以上結(jié)果表明微/納塑料會破壞植物的光合作用,進一步影響光吸收或者電子傳遞,降低光能的利用效率。這可能是由于微/納塑料會抑制植物根系水分的吸收、堵塞葉片氣孔或者影響相關蛋白的合成從而影響光合作用。

微/納塑料還會與其他污染物聯(lián)合對植物生長產(chǎn)生復合效應。微/納塑料會影響植物對重金屬的吸收,從而影響植物生長。PS塑料顆粒會減少小麥對銅(Cu)和鎘(Cd)的吸收,降低重金屬對小麥的毒害,同時提高小麥葉綠素含量,增強光合作用[69]。PVC塑料顆粒也能緩解Cd對黃瓜幼苗的毒性,緩解Cd對根系活力的影響[93]。微/納塑料主要通過吸附或絡合重金屬,使生物有效態(tài)金屬向有機結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變,從而降低重金屬對植物的毒性[94]。但WANG等[95]研究表明,PLA和PE塑料的存在并不影響Cd在玉米(Zeamays)根中的累積。PE塑料會吸附土壤中的菲,使小麥根系中菲的積累量增加,葉片中菲濃度減少,但是PE和菲在土壤中混合污染處理比單一污染物處理對小麥的毒性更大[96]。實際環(huán)境中植物的表現(xiàn)是多種污染物共同影響的結(jié)果,因而需要進一步研究微/納塑料在其中所起的作用是抑制還是促進。

3.2 微/納塑料對土壤動物的影響

據(jù)報道,超過690種海洋物種和超過50種淡水物種會攝入塑料[97],但是有關微/納塑料對土壤動物的影響研究仍比較匱乏。目前的研究主要關注微/納塑料對土壤無脊椎動物的影響。微/納塑料對土壤動物的毒性研究表明,土壤動物對微/納塑料不會表現(xiàn)出攝食回避,進而會引起土壤動物運動障礙、氧化應激、DNA損傷、生長抑制和生殖毒性,甚至會導致死亡(表2)。

KIM等[98]觀察到在微塑料含量僅為8 mg·kg-1的土壤中跳蟲(Lobellasokamensis)活動指數(shù)會顯著降低。微/納塑料顆?？梢赃M入土壤的生物孔洞,從而壓縮土壤動物的活動空間。而跳蟲攝入微塑料(<66 μm)會導致其運動速度和運動距離降低[85],說明微塑料對跳蟲有明顯的負面影響。此外,多項研究表明土壤中微/納塑料濃度和顆粒大小是影響蚯蚓、跳蟲或者蝸牛生長發(fā)育的關鍵因素。JU等[99]將白符跳(Folsomiacandida)暴露在1%的PE塑料顆粒環(huán)境中時,其死亡率增加28%,繁殖率則下降70.2%。這與HUERTA LWANGA等[100]的研究結(jié)果類似,隨著土壤中微塑料濃度的增加,蚯蚓的生長速率會明顯降低,死亡率增加。即使土壤中PS塑料含量≤1 mg·kg-1也會對蚯蚓(Eiseniafetida)造成氧化應激和DNA損傷[82]。上述研究表明微/納塑料大多會對動物造成不同程度的負面影響,這主要是因為微/納塑料耐腐蝕,可以在生物體內(nèi)長時間存在,進而會影響動物攝食、消化和吸收。

微/納塑料對土壤動物的毒性還具有大小依賴性。LI等[101]研究發(fā)現(xiàn)不同粒徑微塑料都會改變赤子愛勝蚓(Eiseniafetida)體內(nèi)超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶活性,綜合生物反應值表明小粒徑微塑料對蚯蚓的氧化應激影響更大。小粒徑(120 μm)塑料顆粒會引起蝸牛(Cantareusaspersus)消化腺氧化應激[17]。因為小粒徑微/納塑料更易被土壤生物攝取,少量的小粒徑微/納塑料則會被吸收進入其體內(nèi)。PARENTI等[87]觀察到0.5 μm納塑料能夠通過蠶(Bombyxmori)的腸道屏障到達內(nèi)部組織、器官和循環(huán)系統(tǒng)。而JIANG等[82]則觀察到1.3 μm的PS塑料顆粒比0.1 μm的PS塑料顆粒在蚯蚓體內(nèi)有更多的累積,并對蚯蚓顯示出更大的毒性。目前,微/納塑料對土壤動物的影響研究還只關注單一粒徑的影響。有關不同粒徑塑料在土壤動物體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)移和分布研究還十分匱乏,特別是不同粒徑對土壤動物的綜合影響。

同時,微/納塑料還會和其他環(huán)境污染物聯(lián)合對土壤動物產(chǎn)生復合效應。有研究表明,土壤中添加PP和PE塑料會增加赤子愛勝蚓體內(nèi)Cd的累積,增加對蚯蚓的毒性,抑制酶的活性,降低生長速率和增加死亡率[102-103]。這可能是由于吸附在塑料表面的Cd在蚯蚓體內(nèi)容易解吸,導致Cd在其體內(nèi)累積增加。但是微塑料與Cd的復合作用,在一定程度上能夠緩解蚯蚓的急性致死效應[104]。土壤中的微/納塑料也會導致有機污染物在生物體內(nèi)累積增加,微塑料和農(nóng)藥共同暴露會增加農(nóng)藥在蚯蚓體內(nèi)的生物累積量,并增加蚯蚓的氧化損傷,改變其代謝途徑[105]。微/納塑料由于表面疏水性強會吸附疏水性有機物(HOCs: 多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和鄰苯二甲酸鹽),降低土壤中HOCs的生物有效性,減少生物累積[106]。因此,微/納塑料究竟是促進還是抑制HOCs的生物積累,不僅取決于微塑料與土壤之間HOCs的濃度梯度,還取決于塑料和污染物的極性[107-108]。

3.3 微/納塑料對土壤微生物的影響

土壤蘊藏著巨大的微生物多樣性,土壤微生物在主要元素(C、N、P)循環(huán)、廢物回收和環(huán)境污染物的解毒等方面發(fā)揮著重要作用[109]。微/納塑料會對土壤微生物群落結(jié)構及多樣性造成影響。XIAO等[110]觀察到PE塑料暴露下水稻田中細菌的辛普森多樣性指數(shù)先下降后上升,說明塑料暴露初期會對土壤微生物造成較大壓力。WANG等[111]研究表明,LDPE塑料暴露下土壤中酸桿菌門、裝甲菌門、擬桿菌門、芽單胞菌門和變形菌門豐度明顯增加,而且加快了土壤中微生物群落演替,降低了土壤微生物群落的穩(wěn)定性。這表明微生物群落會通過調(diào)整其組成來適應微/納塑料的脅迫。其他研究也表明土壤微生物群落還具有一定的抗干擾能力,將土壤中添加2%和7%的LDPE塑料顆粒(150～250 μm)培養(yǎng)90 d后,發(fā)現(xiàn)土壤中細菌多樣性會因為LDPE塑料顆粒的加入而受到輕微影響[112]。LDPE塑料薄膜對土壤微生物α多樣性(豐富度、均勻度和多樣性)沒有明顯影響[113]。

微/納塑料還會對土壤微生物酶活性造成影響。研究表明土壤中PE顆粒含量為100和1 000 ng·g-1時會明顯減弱土壤脫氫酶、亮氨酸-氨基肽酶和堿性磷酸酶等活性,同時會增加其基礎呼吸速率和代謝熵[114]。而LIU等[115]添加PP塑料(7%和28%)至土壤后觀察到低濃度微塑料對土壤酶活性無影響,而高濃度微塑料則會促進土壤中熒光素二乙酸水解酶活性,有利于土壤中有機碳、氮和磷的溶解,增加植物可利用營養(yǎng)成分的來源。此外,LDPE塑料碎片也會增加土壤中脲酶和過氧化氫酶活性[113]。這主要是由于微/納塑料累積在土壤中會改變土壤性質(zhì),如土壤孔隙、容重、通氣性和透水性,間接影響土壤酶活性。土壤酶活性改變則會進一步影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中C、N和P的循環(huán)。

微/納塑料由于比表面積大、表面疏水且堅硬,在土壤環(huán)境中為微生物創(chuàng)造了一個新的生態(tài)位[116]。ZETTLER等[117]首次將微塑料與附著的微生物聯(lián)合稱為“微塑料圈(plastisphere)”。WRIGHT等[118]通過收集和重新分析35項研究中2 229個樣本的所有原始16S rRNA基因測序和元數(shù)據(jù),確定了水環(huán)境中塑料上形成的生物膜中具有生物降解能力的海洋螺桿菌(Oceanospirillales)和交替單胞菌(Alteromonadales)始終比對照環(huán)境生物膜中更豐富。在土壤環(huán)境中,ZHANG等[119]觀察到薄膜微塑料的凹槽和分裂處易于生長各種微生物,成為微生物群落的一個獨特的棲息地,微生物群落在微塑料上的結(jié)構與周圍土壤、枯枝落葉和大塑料上有著明顯不同,在塑料上富集了一些可降解PE的微生物群落,如放線菌門、擬桿菌門和變形菌門。ZHU等[13]研究也觀察到變形菌(51.3%)和放線菌(30.1%)在塑料菌群中占主導地位。在電子垃圾拆解區(qū)土壤微塑料的微生物群落也與周圍環(huán)境有著明顯不同,在微塑料上也發(fā)現(xiàn)了菌絲單胞菌科[120]。這些微生物可以利用微/納塑料作為新的營養(yǎng)來源,使其在微/納塑料環(huán)境中有相對的生存優(yōu)勢[121]。微/納塑料還是土壤中一些致病菌的載體。GKOUTSELIS等[122]在塑料上觀察到可在土壤中傳播的致病菌如尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)、互煉鏈孢菌(Alternariaalternata)和葡萄莖枯病菌(Didymellaglomerata)。ZHU等[13]檢測出微塑料上潛在細菌致病菌占總細菌比例比土壤細菌群落高12.4倍。這些致病菌會給生物帶來輕微或嚴重的疾病,因而迫切地需要評估攜帶致病菌的微塑料對生物健康的潛在風險。

4 土壤微/納塑料的生態(tài)風險評估框架

微/納塑料作為一種新型污染物,其對土壤生態(tài)系統(tǒng)的風險評估尚處于初步探索階段。由于水環(huán)境中微/納塑料研究起步早,且水環(huán)境相對土壤環(huán)境更為簡單,已有風險評估模型可用于評估微/納塑料對水環(huán)境的生態(tài)風險,如物種敏感性分布(SSD)[123-124]。SSD主要用于生態(tài)風險評估,一般是利用有限的實驗室生態(tài)毒性數(shù)據(jù)計算得出環(huán)境中污染物的最大可接受濃度。但是目前不同實驗室得出的微/納塑料毒性數(shù)據(jù)缺乏可比性,因為不同實驗室采用的微/納塑料的粒徑、形狀和濃度不一致,采用的風險受體也不一樣,因而利用SSD得到的微/納塑料閾值效應濃度相差很大[123-125]。ZHANG等[54]認為微/納塑料與人類活動密切相關,因而需要綜合考慮人類活動和自然因素,再基于層次分析法評估微/納塑料的生態(tài)風險。此模型主要的流程可分為3大部分:第1部分是確定需要評估的區(qū)域;第2部分是建立風險評估指標庫,主要分為壓力、狀態(tài)和響應3個指標,然后通過專家打分法確定每個指標的權重,最后通過查閱文獻來評估指標狀態(tài);第3部分是使用加權平均模型和最大隸屬度原則綜合判斷風險等級。但是不同研究所得到的微/納塑料豐度可比性差,而且各個指標確定的權重人為主觀性較大,因而無法準確地評估微/納塑料的生態(tài)風險?？傮w而言,目前尚缺乏土壤環(huán)境中微/納塑料的生態(tài)風險評估框架和模型。但KOELMANS等[126]認為微/納塑料具有連續(xù)的特性,提出了一個適用于環(huán)境或人類健康的微/納塑料風險評估通用框架,其大致分為3個部分:(1)首先要明確需要保護的目標(一個種群或單個旗艦物種),然后在質(zhì)量控制與保障的基礎上指導危害和暴露評估的設計,以獲得可靠的數(shù)據(jù);(2)基于效應機理的劑量測定,微/納塑料會對生物造成細胞毒性、氧化應激和炎癥等毒害作用,因而需要為這些機制選擇相應的劑量指標,如顆粒的比表面積、粒徑和橫縱比等,最后確定微/納塑料對生物產(chǎn)生毒害的相應劑量;(3)通過對數(shù)據(jù)的分析以獲得適用于微/納塑料的概率密度函數(shù),通過使用概率密度函數(shù)來調(diào)整和量化暴露和影響閾值,以便一致地描述風險。該通用框架為微/納塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)風險評估提供了可參考的基礎。然而,土壤環(huán)境中的微/納塑料是復雜的,其本身既會釋放塑料添加劑,又會負載有害物質(zhì),因此在評估微/納塑料的生態(tài)風險時還需要對這些成分進行評估。此外,由于現(xiàn)階段土壤微/納塑料豐度調(diào)查數(shù)據(jù)可比性差,微/納塑料對土壤生物的毒性影響研究較少,并且許多相關實驗設計存在缺陷,因而當前尚難以科學評估微/納塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)的風險。

5 未來研究展望

微/納塑料如何影響陸地生態(tài)系統(tǒng)是全球性問題。目前,陸地土壤環(huán)境中微/納塑料的賦存狀態(tài)及其對植物、動物和微生物影響研究總體上處于初始階段,許多科學與方法學問題需要探索與解決。微/納塑料的土壤生物健康效應與食物鏈傳遞風險的未來研究需要著重關注以下幾個方面。

(1)建立既能提升科學認知又能業(yè)務化普及的土壤微塑料精準鑒定、檢測與監(jiān)測技術標準,使數(shù)據(jù)具有可比性和用于質(zhì)量化表示,特別是更細小的納塑料,以定量指示不同粒徑微/納塑料在土壤中賦存狀況和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

(2)加強土壤中微/納塑料低劑量、長時間的環(huán)境-生物暴露模擬試驗研究,以揭示微/納塑料對土壤生物的毒性作用及機制。開展多生態(tài)位的微宇宙生態(tài)模擬試驗,研究闡明微/納塑料與其所攜帶的添加劑和污染物對土壤生物的復合毒性及機制,建立微/納塑料對土壤生物生態(tài)系統(tǒng)的風險評估方法。

(3)定量指示微/納塑料在陸生食物鏈中不同營養(yǎng)級生物體內(nèi)的吸收,探明陸地食物網(wǎng)中微/納塑料富集過程和循環(huán)效應,以評估微/納塑料食物鏈傳遞健康風險。

(4)借鑒化學品和人工納米材料的生態(tài)風險評估技術路線以構建土壤中微/納塑料的生態(tài)風險評估框架和模型,并逐步區(qū)分微/納塑料顆粒的毒性效應與化合物毒性效應,不斷改進優(yōu)化微/納塑料的生態(tài)風險評估方法。