土壤微塑料影響植物生長的因素與機(jī)制研究進(jìn)展

關(guān)鍵詞：土壤；微塑料；植物；影響因素；作用機(jī)制

塑料作為一種被廣泛應(yīng)用的有機(jī)合成聚合物材料，在為我們生活提供便利的同時，也帶來了后續(xù)的環(huán)境問題。據(jù)估算，到2050年，將有大約12000萬t塑料垃圾被埋入垃圾填埋場或自然環(huán)境中，塑料垃圾進(jìn)入到環(huán)境后會逐漸破碎變成微塑料（lt;5mm），導(dǎo)致其在土壤和水體中的豐度逐年遞增。2015年的第二屆聯(lián)合國環(huán)境大會已將微塑料污染列為環(huán)境與生態(tài)領(lǐng)域的第二大科學(xué)問題。目前，人們對水體中微塑料的認(rèn)識已較為系統(tǒng)，土壤微塑料逐步成為新的研究熱點(diǎn)。2012年Rillig首次提出微塑料會影響土壤理化性質(zhì)，這引起了人們對土壤微塑料的關(guān)注，后續(xù)研究表明微塑料可被植物吸收并積累，最終通過食物鏈進(jìn)入人體。厘清微塑料對植物生長的影響及其機(jī)制，有助于系統(tǒng)掌握其在土壤一植物體系中的環(huán)境行為。

微塑料進(jìn)入土壤后，可通過改變土壤環(huán)境、與根系互作及在植物體內(nèi)運(yùn)移影響植物生長。在上述過程中，微塑料的賦存狀態(tài)和理化特征均可影響其對植物的作用效果?；诂F(xiàn)有研究進(jìn)展，本文從粒徑、形狀、濃度、種類、塑料添加劑和老化程度等方面，梳理了土壤微塑料影響植物生長的主要因素及作用機(jī)制，并對未來研究的重點(diǎn)內(nèi)容提出展望，以期為進(jìn)一步明晰微塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響提供參考。

1微塑料粒徑的影響

土壤中微塑料的粒徑會影響植物對其吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。研究發(fā)現(xiàn)，高分子量或大尺寸的微塑料顆粒不能穿透細(xì)胞壁，而粒徑較小的微塑料易被根系吸收并在植物體內(nèi)運(yùn)移。李連禎等研究發(fā)現(xiàn)，粒徑較大的聚苯乙烯（PS）微球（1um）不易通過生菜根細(xì)胞間隙和質(zhì)外體進(jìn)入根系皮層和中柱，難以被根部吸收，而粒徑較小的PS微球（0.2um）可被根部吸收并運(yùn)移至莖中積累。一般情況下，納米級和少數(shù)微米級的塑料顆粒都可穿透植物根系表皮進(jìn)入植物體，并能在蒸騰拉力的作用下，通過導(dǎo)管隨水和養(yǎng)分運(yùn)輸至地上部位。微塑料在植物體中的富集部位與其粒徑和植物種類有關(guān)，如表1所示：100nm的PS可被小麥根尖吸收．通過木質(zhì)部從根部向上運(yùn)輸?shù)饺~片，并在葉片中積累；Liu等也發(fā)現(xiàn)納米和微米級的微塑料（80nm和1um）均可被水稻根部吸收，隨后轉(zhuǎn)移到地上部分，并在莖、葉中積累，質(zhì)外體轉(zhuǎn)運(yùn)可能是主要途徑。粒徑較大的微塑料也可通過影響土壤結(jié)構(gòu)和水分運(yùn)輸，干擾植物吸水。如王志超等的研究表明，大粒徑微塑料的添加可以提高土壤大孔隙比例，降低土壤持水性。

不同粒徑的微塑料對植物的傷害機(jī)制也有所區(qū)別。粒徑較大的微塑料不易進(jìn)入植物體內(nèi)，但容易導(dǎo)致根系磨損，還可能黏附在根表并在皮層中積累，從而抑制水和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。如Bosker等通過使用熒光標(biāo)記示蹤技術(shù)，證明了微塑料可以通過黏附在氣孔表面來減緩或完全抑制水分吸收，對種子萌發(fā)產(chǎn)生負(fù)面影響。粒徑較小的微塑料可以直接被根系吸收，并在植物體內(nèi)積累，從而阻塞細(xì)胞壁孔或胞間通道，影響水分和養(yǎng)分的運(yùn)移。Jiang等的研究表明，100nm的PS可以積聚在蠶豆根中，阻塞細(xì)胞連接或細(xì)胞壁孔，影響營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸，因此其比5umPS具有更高的基因毒性和損傷能力。Li等也研究發(fā)現(xiàn)，100nm的PS可被黃瓜根系吸收，然后通過根壓力和蒸騰張力運(yùn)輸?shù)饺~片中，破壞葉片組織中的細(xì)胞器。與大顆粒微塑料相比，較小粒徑的微塑料比表面積大，吸附其他污染物的能力更強(qiáng)。如聚乙烯（PE）因疏水作用擁有較強(qiáng)的吸附能力，但納米級PS對污染物的吸附能力可能超過微米級的PE，表明尺寸效應(yīng)可能比疏水相互作用更有效。

2微塑料形狀的影響

常見的微塑料大致分為纖維狀、薄膜狀、顆粒狀、珠子狀、碎片狀，各種形狀微塑料對土壤結(jié)構(gòu)的影響不同，對植物生長的影響也有所差異。纖維狀微塑料具有吸附能力強(qiáng)、比表面積大等特點(diǎn)，同時容易纏繞土壤顆粒，進(jìn)而促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，產(chǎn)生土壤大孔隙，這可以減小根系生長阻力。如Lozano等針對干旱土壤的研究表明，添加纖維狀微塑料可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，間接提高土壤保水性，緩解干旱程度，增加根直徑和根組織密度。Lozano等研究發(fā)現(xiàn)，纖維狀微塑料還可增加土壤大孔隙率和通氣量，減小根系生長阻力，提高水分有效性，促進(jìn)根系對水分及養(yǎng)分的吸收。薄膜狀微塑料也可增加土壤大孔隙率，這雖可為根系生長提供空間，但也會促進(jìn)水分蒸發(fā)，降低土壤保水性。如Wan等研究發(fā)現(xiàn)，薄膜狀微塑料可為水流創(chuàng)造通道，顯著提高土壤水分蒸發(fā)速率，降低土壤保水性而引起干裂，從而可能會導(dǎo)致植物缺水。

不規(guī)則形狀的微塑料顆粒較難進(jìn)入植物體，但與光滑的微塑料顆粒相比，其可能對根部的損傷程度更大。如連加攀等通過電鏡掃描觀察到，相比于乙烯一乙酸乙烯酯共聚物（EVA）和聚甲基丙烯酸甲酯（EMMA），線型低密度聚乙烯（IIDPE）具有更多的不規(guī)則邊緣，對植物根系的損傷作用更強(qiáng)；Lian等的研究也發(fā)現(xiàn)，1%的PE對植物根部生長無明顯影響，但相同濃度條件下，具有更多尖銳邊緣的聚乳酸（PIA）則可顯著減小植物的根長。目前，微塑料添加試驗(yàn)大多使用合成的光滑微塑料顆粒，而土壤中的微塑料形狀多不規(guī)則，對植物的損傷作用更強(qiáng)，這也是造成現(xiàn)有研究中添加試驗(yàn)與田間覆膜試驗(yàn)結(jié)果差異的重要原因。

3微塑料濃度的影響

微塑料濃度會影響其對植物的作用效果，較低濃度的微塑料可能會促進(jìn)植物生長。如表2所示，與無微塑料添加相比，0.1%和0.5%的PE提高了玉米株高、根體積和面積，0.5%和1%的聚氯乙烯（PVC）可增加生菜根的總長度、表面積、體積和直徑。高濃度的微塑料多會抑制植物的生長，如劉曉紅等研究發(fā)現(xiàn)，PE會抑制黃瓜的生長和萌發(fā)，且抑制作用會隨微塑料濃度升高而增強(qiáng)。這可能是因?yàn)檩^高濃度的微塑料會誘導(dǎo)植物氧化應(yīng)激產(chǎn)生更多的活性氧（ROS），加劇組織和細(xì)胞氧化損傷，從而抑制植物根的發(fā)育；另外，隨PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，積累在植物根系的微塑料逐漸增多，阻礙了水分及養(yǎng)分的吸收，抑制了作物的生長，在有些情況下，濃度較高的微塑料也有可能促進(jìn)植物的養(yǎng)分吸收，如Liu等研究發(fā)現(xiàn)，5%的PVC可通過影響根系分泌物，改變小麥的養(yǎng)分獲取策略，迫使小麥在狹窄的根區(qū)有效地獲取可用的養(yǎng)分，從而促進(jìn)小麥的生長。濃度也會影響微塑料對土壤結(jié)構(gòu)的作用效果，造成植物對微塑料不同濃度的響應(yīng)差異，如Lozano等研究發(fā)現(xiàn)，隨著微塑料濃度的增加，莖和根質(zhì)量的下降可能是由于薄膜狀微塑料創(chuàng)造了更多的水運(yùn)動通道，增加了土壤蒸發(fā)速率，導(dǎo)致植物缺水。

微塑料濃度對植物的影響效果也與試驗(yàn)條件有關(guān)。如表2所示，Shi等通過水培試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，中低濃度的微塑料（10、100、500 mg·L-1）對西紅柿種子萌發(fā)有抑制作用，而在高濃度下（1000mg·L-1）抑制作用降低；連加攀等研究也發(fā)現(xiàn)，在水培試驗(yàn)下，低中濃度微塑料（500mg·L-1）處理的小麥各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)均顯著降低，高濃度下（1000mg·L-1）的各項(xiàng)指標(biāo)有所回升。高濃度微塑料對植物萌發(fā)的抑制作用減弱，這是因?yàn)榕囵B(yǎng)液中的微塑料容易相互團(tuán)聚而減少其與種子的接觸，從而降低脅迫程度。

4微塑料種類的影響

土壤中不同種類的微塑料由于微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、所含化學(xué)添加劑種類以及表面性能等方面的差異而對植物作用效果有所區(qū)別。其中結(jié)晶度代表了塑料的脆弱程度，結(jié)晶度越高塑料越脆弱，易形成小顆粒被植物吸收。如PLA是一種半結(jié)晶聚合物，在室溫下具有較低的強(qiáng)度和硬度，在破碎過程中由于斷裂韌性和脆性較低容易黏連而形成片狀和塊狀顆粒，因此可能具有更強(qiáng)的機(jī)械損傷作用。此外，由于不同種微塑料在其聚合物單體性質(zhì)方面差異較大，它們的分子相互作用也有所不同，如脂肪族PE只可通過非特異性范德華相互作用與污染物復(fù)合，而芳香族PS也可以通過π-π相互作用。

由于傳統(tǒng)農(nóng)膜在土壤中難以降解，回收后也不易處理，可降解地膜的使用逐漸受到關(guān)注，而可降解地膜對植物的負(fù)面影響可能更強(qiáng)。張彥等通過對比可降解微塑料PLA和難降解微塑料高密度聚乙烯（HDPE）及聚丙烯（PP）發(fā)現(xiàn)，PLA對小麥幼苗生長的抑制作用強(qiáng)于后兩者，且隨植物生長抑制作用逐漸增強(qiáng)，這可能是由于PLA被降解后更易被植物吸收。同時，可降解塑料中含有的塑化劑較多，其塑性高、易產(chǎn)生尖銳邊緣，這均會對植物造成傷害。此外，可降解地膜可作為潛在碳源被微生物利用，進(jìn)而影響微生物群落特征，改變養(yǎng)分循環(huán)過程，同時可降解地膜的降解產(chǎn)物也會影響植物代謝過程。如Reay等的最新研究表明，與低密度聚乙烯（IDPE）相比，可降解的PLA可作為潛在碳源被微生物利用，進(jìn)而影響植物一土壤氮分配過程，PLA降解后的乳酸，可通過影響丙酮酸代謝，干擾氨基酸的合成。

5微塑料老化程度的影響

微塑料進(jìn)入環(huán)境后會發(fā)生物理、化學(xué)、生物等老化作用，此過程不僅會改變微塑料的粒徑、表面粗糙度、結(jié)晶度等物理特性，也會改變化學(xué)鍵，增加表面含氧官能團(tuán)。隨著微塑料的老化，其所含的添加劑會逐漸釋放于土壤中，抑制植物的生長，添加劑在土壤中會隨時間而降解。如Pflugmacher等的研究表明，原始微塑料和短期老化（80d）對荇菜的發(fā)芽以及幼苗生長毒害作用最強(qiáng)，后期負(fù)面效應(yīng)逐漸減弱，這是由于微塑料浸m的雙酚A（阻燃劑）是主要引起應(yīng)激反應(yīng)的物質(zhì)，后期抑制作用的減弱可能是由于阻燃劑的分解；Esterhuizen等也研究發(fā)現(xiàn)，微塑料在原始狀態(tài)下對于黑麥草的發(fā)芽和生長抑制作用最強(qiáng)，老化后的微塑料抑制作用減弱，從聚合物中釋放的化學(xué)物質(zhì)可能是導(dǎo)致觀察到的發(fā)芽和生長受到抑制的原因。

同時，相比于原始微塑料，老化后的微塑料對植物代謝的干擾可能更強(qiáng)，如黃道芬研究表明，與原始微塑料相比，老化微塑料對菠菜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響更大，原始微塑料僅誘導(dǎo)了植物的積極的防御反應(yīng)，但沒有顯著影響代謝通路，而老化微塑料擾亂了根的氮代謝。

老化微塑料對其他污染物有更強(qiáng)的親和力，對植物產(chǎn)生更大的危害。如表3所示，老化后微塑料表面的物理化學(xué)性質(zhì)如微觀結(jié)構(gòu)、比表面積和表面官能團(tuán)有所改變，導(dǎo)致微塑料的載體作用增強(qiáng)，對植物的毒害作用可能會增強(qiáng)。如Mao等的研究表明，與原始PS相比，UV老化后的PS表面成現(xiàn)了更多的小裂紋，表面粗糙程度增加，表面積增大，進(jìn)而為污染物提供更多的污染物吸附位點(diǎn)，提高微塑料的運(yùn)載能力，促進(jìn)污染物的遷移，因此對于植物的毒害作用也就更強(qiáng)。老化也會增強(qiáng)微塑料的π-π作用，使其對有機(jī)污染物的吸附能力大于原始微塑料，對植物產(chǎn)生更強(qiáng)的負(fù)面影響。

6塑料添加劑的影響

塑料生產(chǎn)過程中為了提高其強(qiáng)度和韌性會額外添加有機(jī)／無機(jī)添加劑，包括塑化劑、抗氧化劑、阻燃劑、光穩(wěn)定劑、抗靜電劑、熱穩(wěn)定劑和顏料等，這些添加劑大多數(shù)不與聚合物化學(xué)結(jié)合，會在土壤中緩慢釋放，對植物的生長產(chǎn)生負(fù)面影響。如表4所示，塑化劑和阻燃劑在塑料生產(chǎn)過程中使用最多，其中10%～70%添加塑化劑，3%～25%添加阻燃劑，而目前關(guān)于微塑料添加劑對植物影響的研究也主要集中在上述兩類。

塑化劑的代表性化合物是鄰苯二甲酸酯類，其屬于一類塑料軟化劑，可干擾植物生理過程、危害植物健康。Gao等研究發(fā)現(xiàn)，鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）和鄰苯二甲酸二（2一乙基己基）酯（DEHP）脅迫下植物所釋放的ROS會破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，減少葉綠素含量、使光合速率降低，其中DBP的影響高于DEHP。進(jìn)入植物體內(nèi)的塑化劑也會對果實(shí)品質(zhì)有影響，如DBP可通過抑制植物的代謝和呼吸作用，顯著降低辣椒中的維生素C和辣椒素含量以及黃瓜的有機(jī)酸、維生素C、可溶性蛋白和可溶性糖的含量。常青等的研究也發(fā)現(xiàn)，高濃度的DEHP脅迫激發(fā)植物產(chǎn)生更多的細(xì)胞活性氧自由基，這些自由基在攻擊堿基的同時也可作用于DNA脫氧核苷酸骨架或其他細(xì)胞成分，并通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，形成更多的活性基團(tuán)，繼續(xù)攻擊DNA，導(dǎo)致染色體斷裂、丟失和微核等，造成遺傳損傷。此外，塑化劑也可以通過改變土壤養(yǎng)分循環(huán)過程影響植物生長。Zhu等的研究發(fā)現(xiàn)，添加DBP塑化劑的PVC可顯著影響NH、N03、脲酶等氮循環(huán)參數(shù)，且作用效果隨塑化劑濃度升高而提升，這可能緣于塑化劑改變了土壤氮循環(huán)微生物的群落特征。

阻燃劑可以增加高分子聚合物如塑料、橡膠、纖維等的耐燃性，常見的阻燃劑有溴化阻燃劑、多溴聯(lián)苯醚、六溴環(huán)十二烷和四溴雙酚A。阻燃劑半衰期長，在環(huán)境中存在穩(wěn)定，不易被降解，具有親脂性和生物累積性，可沿食物鏈逐級放大，最終對人類健康產(chǎn)生潛在的威脅。土壤中的阻燃劑會被植物根部吸收，如多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）容易被植物吸收，但進(jìn)入植物體內(nèi)的PBDEs主要累積在根部不易向上遷移，枝條中的PBDEs主要來自葉面從空氣中吸收。植物對阻燃劑的吸收和遷移可能與其疏水性和分子量有關(guān)，如與四溴聯(lián)苯醚（BDE-47）相比，疏水性和分子量更低的三溴聯(lián)苯醚（BDE-28）更容易在枝條中積累和運(yùn)移。

7研究展望

關(guān)于土壤微塑料污染對植物的影響，未來需關(guān)注以下幾個問題：

（1）目前大多數(shù)試驗(yàn)都是微塑料添加試驗(yàn)，田間覆膜試驗(yàn)較少。添加試驗(yàn)使用的微塑料多為合成的光滑顆粒，而土壤中的微塑料形狀不規(guī)則，對植物的損傷作用更強(qiáng)；此外，添加試驗(yàn)的微塑料濃度總體偏高。上述原因使得添加試驗(yàn)與田間覆膜試驗(yàn)結(jié)果存在差異，限制了部分研究結(jié)果的實(shí)用性。

（2）現(xiàn)有土壤微塑料研究結(jié)果大多是描述性的，其對植物的影響過程尚不完全清晰。未來還應(yīng)基于微塑料自身性質(zhì)，進(jìn)一步研究其對植物的影響機(jī)制，系統(tǒng)了解微塑料粒徑、形狀、種類、濃度以及老化程度等因素對作用效果的影響。

（3）關(guān)于微塑料的副產(chǎn)物如塑化劑、阻燃劑等對植物的影響效果和作用機(jī)制的關(guān)注較少，且對于塑化劑等降解產(chǎn)物對植物的影響機(jī)制尚不明確，在此方面未來還需深入探索。

（4）土壤中微塑料的種類繁多、形態(tài)各異，其對植物的影響機(jī)制較為復(fù)雜，作用效果受到諸多因素的調(diào)控，未來在探究微塑料對植物影響時，還需綜合考量各種因素的協(xié)同作用。