土壤中微塑料的污染现状及其对微生物群落的影响

苏丹,温嘉佳,杨越,陈梓仪,林德栋,刘沙沙

(肇庆学院 环境与化学工程学院,广东省环境健康与资源利用重点实验室,广东 肇庆 526061)

1 土壤中微塑料的污染现状

1.1 土壤中微塑料的来源

农膜具有保水控温、增产等作用而被广泛应用在农业生产中,但存在回收率低的问题,导致了大量的塑料碎片经过光照和生物降解作用下会被分解成为微塑料而残留在土壤中。农业生产中,由于农药、肥料等的大量施用,其塑料包装没有得到有效处理而散布于土壤中,也可能导致土壤中微塑料颗粒的增加[1-2]。目前大多数国家利用处理过的污水进行农业灌溉,由于微塑料基数较大,污水经过处理后仍含有大量微塑料,因此农业灌溉时会向土壤输送微塑料[3]。污水处理后超过90%的微塑料被截留在污泥中。污泥含有N、P、K等营养元素,可增加土壤肥力用于堆肥工艺,因此污泥中未分解的微塑料随着堆肥的应用而积累在土壤中[1]。有研究表明,我国城市环境中,大气的微塑料沉降量最高可达到1.46×105个/(m2·a),因此,大气沉降也是一种输入微塑料的途径,其中含有微塑料的大气颗粒物能够在干沉降过程和湿沉降过程的作用下,落到土壤中[4]。目前,我国对废弃塑料的处置主要有垃圾填埋法、焚烧法、造粒法和裂解法等,而最常用的处置方法还是填埋[5]。因为塑料自身的高强度和抗腐蚀的特性,所以在对其进行填埋时,不能将其完全移除,会在很长一段时间内,以其原有的状态,在经过各种物理、化学和生物降解作用后,会被降解成微塑料[6]。

1.2 土壤中微塑料的分布特征

微塑料在我国环境中的分布具有地域差异性。微塑料在经济发达、人口密集的地区土壤中含量较高,而在经济发展相对缓慢、企业偏少、人口稀疏的地区含量较少。例如上海市土壤中微塑料丰度范围在(62.50±12.97)～(78.00±12.91)个/kg[4],而青藏高原地区土壤中微塑料丰度为20～110个/kg[7]。黄土高原中微塑料的丰度为0.54 mg/kg。中国云南微塑料含量高达7 100～42 960个/kg[8]。微塑料具有空间差异性可能与一个国家或区域的地理特点、发展程度以及人口密度等有关[9]。

地理位置的不同使土壤中微塑料呈现出不同的丰度、种类和形状等特点。广元烟田土壤微塑料平均丰度为(4.81±3.53)×102个/kg,包括薄膜、碎片、泡沫和纤维等种类,主要以白色透明薄膜状态存在[10]。哈尔滨农田土壤中微塑料丰度范围在198.32～1 002.61个/kg,形态包括纤维状、薄膜状、碎片状和微珠状。聚丙烯(PP)以这四种形状存在土壤中,聚酰胺(PA)以纤维状、膜状和微珠状存在,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)以碎片状和微珠状存在,聚乙烯(PE)主要以纤维状和膜状存在,而碎片状的微塑料成分较为复杂,其主要成分还有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯腈(PAN)和聚苯乙烯(PS)[11]。云南滇池农田土壤中微塑料丰度含量范围是13 020～28 100个/kg,土壤中微塑料最主要以纤维状为主,其次是碎片状和膜状,最少的是绳状微塑料[12]。

对土壤利用方式的不同也会使微塑料的赋存特征存在差异。在天津的校园土壤中,微塑料大多会以碎片的形式存在,主要成分为PP,粒径范围在0.1～3.2 mm之间,丰度为75～95个/kg[13]。在武汉地区,无论是城郊道路区还是住宅区的土壤样品中,纤维状和微珠状仍然是所占比例最高的微塑料形态。而城郊菜地中存在的微塑料主要以微珠、纤维形式存在,分别约占48%,37%。其中菜地中微塑料的种类有PA(32.5%)、PP(28.8%)、PS(16.9%)、PE(4.2%)和PVC(1.9%),在任何一区域的土样中,微塑料粒径都以小于0.2 mm的居多,在城郊道路区和住宅区的土壤样品中,小于0.2 mm的微塑料所占的比例分别为47%和44%,而粒径在3～5 mm之间的微塑料所占的比例是最少的[14]。土壤中微塑料的丰度变化与覆膜年限呈正相关关系,陕西关中使用农膜和大棚在土壤中残留微塑料有所不同,使用地膜所残留的微塑料主要以白色透明的塑料薄膜为主,其次是蓝色或黑色的纤维和残片;而残留在大棚区的微塑料以黑色塑料为主,其次是红色或白色透明的纤维和塑料薄膜。其中微塑料残片在使用地膜的0～10 cm土壤中平均含量为26.2 μg/g,而在大棚区为34.9 μg/g,另外20～30 cm大棚区与使用地膜的土壤残片含量不高,分别为4.79和2.48 μg/g15[15]。在新疆棉田土壤中覆膜5,15,24 a的土壤中微塑料丰度分别为(80.3±49.3)个/kg,(308.0±138.1)个/kg和(1 075.6±346.8)个/kg[16]。固原市的设施农田与有薄膜的非设施农业(546.75±203.65)个/kg、无薄膜种植(225.34±93.45)个/kg相比,其微塑料的数量达到了(741.18±221.24)个/kg。结果表明,在设施农田中,土壤中的微塑料的含量比在未设施农田中的要高,其中,以设施农田土壤中的微塑料粒径最大,而不覆盖农田的微塑料粒径最小,微塑料的形态包括薄膜、纤维、碎片和微球,主要以纤维为主,其次为薄膜[17]。

2 微塑料对土壤微生物群落的影响

2.1 土壤中微塑料对微生物群落的直接影响

2.1.1 微塑料对微生物群落组成和多样性的影响

当微塑料进入土壤后会对微生物群落丰度、组成以及多样性等产生直接影响。在土壤中添加微塑料会影响微生物的丰度。经过PE的土壤培养,加入1 d后与对照组相比的Chao1指数有很大差异(Chao1指数会随着细菌群落丰富度的增多而变高),说明微塑料的添加对细菌群落的丰度有影响[18]。向土壤中加入低密度聚乙烯(LDPE)进行土壤培养,土壤优势细菌群落从变形菌门转变为放线菌门,说明土壤微生物的组成会随着微塑料进入土壤中而发生改变[19]。此外,微塑料的介入会使土壤微生物群落多样性与结构发生变化,其中PVC和LDPE等的添加会引起土壤微生物群落多样性的下降,但会导致β-变形菌的丰度显著上升[18,20]。将5%的PE加入到土壤中,蛋白质细菌被放线菌门替代,因此放线菌门成为土壤中优势群落,说明微塑料进入土壤后对微生物群落的选择性有影响并且改变了微生物群落的丰度和多样性,会对土壤地球化学循环以及土壤微生物环境带来影响[19]。3%的LDPE可以有效增加土壤好氧与厌氧的代谢速率,但0.2%的LDPE和PET对土壤的代谢速率并没有明显的影响[21]。随着微塑料在土壤中的残留时间越长,对土壤中的微生物群落所产生的影响会越大,其中PE能够增加微生物在土壤中的种间竞争以及促进了微生物在土壤中的周转率,同时使土壤中的微生物群落稳定性下降,进而破坏了土壤中的微生物群落结构[22]。

2.1.2 微塑料对微生物群落功能的影响

物质转化过程是由微生物和土壤酶共同参与的,然而添加土壤中的微塑料会对酶的活性产生影响,进而会引起微生物群落功能发生改变。土壤中PP和PVC微塑料含量的升高,不仅会对土壤荧光素二乙酸酯水解酶的活性表现出抑制作用,而且会刺激酸性磷酸酶和脲酶的活性[20],同时当PP的添加量增加时其对脲酶的抑制作用更加显著[23]。PE会增加土壤中与固氮作用有关的细菌丰度,影响有机氮的矿化从而导致微生物在土壤中固氮作用的变化[22]。与此同时,鞘脂单胞菌和黄色杆菌的丰度降低,从而导致微生物群落降解土壤有机污染物的能力减弱[20]。在降解老化过程中土壤微塑料的化学成分会随之逐步释放出来,一定程度上抑制了土壤微生物的活性,进而对微生物的生长和发育繁殖有影响[24]。其中邻苯二甲酸酯的污染增加了土壤功能基因的表达,会加快土壤碳氮元素的循环而引起微生物功能的变化[25]。微塑料的存在改变了与植物根际土壤微生物群落相关功能酶的活性,是由于可生物降解塑料薄膜能够为植物根际土壤微生物提供碳源,对于特定土壤微生物的生长速率会因此提高,从而使其微生物量活性高于非根际土壤微生物[26]。

2.2 微塑料改变土壤理化性质后对微生物群落的间接影响

微塑料进入土壤环境中会改变其理化性质进而影响微生物群落。微塑料能够改变土壤的水分输运状态和孔隙结构,粒径小于5 μm的微塑料微粒能够填充到土壤的孔隙中,从而导致土壤的孔隙率明显下降[27],进而引起土壤中的氧气流动形式发生改变,好氧和厌氧微生物的分布也会因此而发生改变,同时有可能会引起土著微生物的灭绝[28]。土壤中的微塑料能够吸收太阳能,从而使土壤升高温度,并且会对土壤中的微生物群落产生影响,因此,在低温的地区中,微生物群落的改变很有可能是由于土壤温度的细微提高而造成的[29]。微塑料会引起土壤团聚体的变化进而对细菌群落结构产生影响,从而使得微塑料表面能够建立以酸杆菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门和拟杆菌门为关键物种的细菌网络[30]。其中PET能够明显地降低土壤水稳性团聚体的稳定性,因此会造成土壤贫瘠的问题,而PE则对土壤水稳性团聚体的稳定性有显著的提高作用[31]。在加入微塑料的过程中还会对土壤的pH值、电导率和有机质产生影响。pH值的升高和有机质的减少是因为农田塑料薄膜的使用数量增加所导致的[32],通过对PE和可降解地膜进行培养,发现土壤的pH值与原始值相比中有所上升,而电导率有所下降,说明pH值和电导率与微生物群落的变化之间有很强的相关性[33-34]。其中以聚乳酸(PLA)为代表的可生物降解塑料薄膜可以降低土壤中的氨氮浓度含量,从而对氮循环产生影响,进而导致土壤中碳氮比值的变化[33,35]。

3 结论与展望

主要总结了土壤环境中微塑料的污染现状及其对土壤微生物群落的影响,但微塑料作为一种新型污染物,目前的研究还存在不足,对今后的研究进行展望:

(1)目前没有规范化的土壤中微塑料的采样和检测方法,这会导致实验结果的差异,需要建立统一的采样和检测标准。

(2)关于土壤中微塑料的来源有一定研究,但来源途径并没有完全明确。应加强对土壤中微塑料的来源和分布特征的研究。

(3)针对土壤中微塑料和微生物相互作用的研究还不充分,主要关注的是微塑料对微生物群落组成和多样性的影响,需要深入探究相应的作用机制,将有助于了解微塑料存在于土壤生态功能的变化。

(4)进一步研究微塑料对微生物的影响机制。土壤并不只是土壤颗粒与有机物质的简单组合,真正的土壤是因为土壤中的微生物和这些物质进行了多种活动,而微生物是土壤中不可或缺的一部分。然而目前针对土壤中微塑料和微生物相互作用的研究还不充分,且多数关注于其对微生物群落结构的影响上,而对微生物在其中的生态功能的影响研究较少。为此,需要对其作用机理进行进一步的研究,以维持土壤的生态环境。