微塑料对土壤特性的影响

裴磊,王发园,张书武

(青岛科技大学 环境与安全工程学院,山东 青岛 266000)

微塑料(Microplastics,MPs)是一种尺寸小于5 mm的塑料颗粒、纤维或碎片,根据其产生方式可以分为初生MPs和次生MPs。一般来说,初生MPs是指那些根据人类生产生活需要直接加工生成的MPs,例如空气喷射,工业磨料以及化妆品中的去角质珠等;次生MPs则是由较大的塑料经物理作用(破碎,磨损和风化)、化学作用(光解、热解和水解)及生物作用(微生物降解和动物消化)形成[1]。相比于“大塑料”,MPs的小尺寸特性使得它们更容易通过大气和水体进行传播和扩散。因此MPs无处不在,在地球上所有的环境中都检测到它们的存在,甚至可以通过饮食和呼吸进入人体内环境并富集[2]。而且由于尺寸微小和组成复杂,很难检测到环境中MPs的实际当量并将其从环境中完全分离。另一方面,MPs具有更大的比表面积且次生MPs由于老化磨损等原因其表面更加粗糙,可以吸附和携带更多的污染物,包括重金属(镉、铜、铅)、有机物(农药、抗生素、PAHs)和致病菌等[3]。因此,MPs比“大塑料”具有更强的生态风险,微塑料污染被列入环境与生态科学研究领域的第二大科学问题,并成为与全球气候变化、臭氧耗竭和海洋酸化并列的重大全球环境问题。

MPs最先是作为海洋中的污染物进入大众视野,早期的研究也大多集中于微塑料对海洋生态系统的污染。近年来,随着对微塑料研究的深入,人们逐渐把目光转移到陆地微塑料污染上[3]。据估计,每年向陆地释放的塑料是向海洋释放的 4～23倍,微塑料在某些工业区表土的质量浓度可高达惊人的6.7%[4-5]。MPs可以通过多种途径输入土壤,包括地膜覆盖、垃圾乱扔和填埋、废水污泥的土地利用和大气沉降等[6]。从总体来看,土壤环境中微塑料主要类型为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等传统塑料类型,它们也是目前世界上最主流的塑料,总共约占95%左右的市场份额。这些类型的MPs都具有非常稳定的聚合物结构,有些在自然环境中需要数百年甚至上千年才能完全降解[7]。基于此,已经提出了几种生物可降解塑料作为传统塑料的可能替代品,例如聚乳酸(PLA)、聚3-羟基烷酸酯(PHA)和聚酯类(PBS)等。然而,这些可生物降解塑料虽然大幅降低了塑料的降解周期,但这需要在一定环境条件下才能迅速降解[8]。此外,我们还应注意到的是土壤环境不同于水体和大气,土壤中物质的转移更为缓慢,MPs在土壤中更容易积累。随着时间的推移,MPs会不可避免的对土壤物理,化学和生物学特性产生影响,从而打破土壤环境原有的生态平衡,对土壤生态功能产生影响。

1 微塑料对土壤物理性质的影响

先前的研究表明,MPs输入土壤可能会引起土壤容重、团聚、孔隙度和持水能力的改变,这些改变可以是积极的也可能是消极的,具体与MPs的类型、浓度、尺寸和形状有关[3]。由于土壤主要由铝硅酸盐矿物组成,绝大多数MPs的密度均比土壤颗粒要小,因此研究发现MPs暴露于土壤后通常会导致土壤容重的降低[9]。土壤团聚体的形成和稳定性对土壤空气,水分和生物养分利用具有重要影响。据报道,在中国西南地区的耕作土壤中,72%的MPs与土壤团聚体间表现出相关性[10],这表明MPs的暴露很可能会引起土壤团聚体发生变化。Souza Machado等人[11]发现,随着MPs浓度增加,土壤团聚体稳定性逐渐降低,并且纤维状MPs产生的影响比其他形状的影响更显著。他们的另一项研究得出了相似的结论,相比于PS碎片和聚酰胺(PA)颗粒,聚酯超细微纤维(PES MF)对土壤团聚体稳定性降低的效果更明显[9]。此外,MPs对土壤团聚体的影响受其它共存因素的影响。例如MPs单独存在对土壤团聚体稳定性没有影响,但和有机质共存时显著降低了土壤团聚体稳定性[12]。MPs的存在也有可能增强土壤团聚体的稳定性,Lozano等[13]报道0.4% PES微纤维显著增强了土壤聚集(18%)。MPs微塑料的暴露会导致土壤孔隙度发生变化,进一步影响土壤氧含量和水分。在张等人[14]的研究中,添加0.1%和0.3% PMF增加了土壤大孔体积,但减少了微孔体积,且其增加或减少的量与MPs浓度呈正相关。即在大孔隙体积下,0.3% PMF比0.1% PMF增加了更多的大孔体积,从而增强了土壤的快速排水;在小孔隙的情况下,PMF浓度的增加导致微孔体积的减少。该发现表明,土壤和线性PMF之间存在相互作用(缠结),这增加了土块的数量,从而增加了大孔隙体积;相反,微孔体积的减少与所用PES的小直径(5 μm)和疏水性有关。MPs还被发现可以通过改变骨料粒径分数和孔径分布来中断水流的垂直运输,大型MPs膜和碎片也被认为会阻碍土壤中的水平水流,这可能改变土壤养分和污染物在土壤中的转运[3]。

2 微塑料对土壤化学性质的影响

从组成性质来看,MPs是以碳基为主体构成的高分子聚合物(碳含量大约为80%),土壤中MPs的输入会直接导致土壤表观总有机碳含量的增加。然而,由于大多数MPs与其他土壤有机碳不具有相同的来源和功能,因此将MPs-碳视为土壤碳库的一部分还有待商榷[15]。在探究外源污染物的对土壤的生态效应时,溶解性有机质(DOM)是一种常用的土壤参数,因为它是土壤中较为活跃的物质,与土壤养分循环和生物利用息息相关,已经有许多文献报道了微塑料对土壤DOM含量的显著性影响,有增加也有降低[3]。值得注意的是,可生物降解MPs通常会导致更高的土壤DOM含量[16]。这是可以预料的,因为许多可生物降解塑料就是由生物基的材料合成(淀粉和纤维素等)。由于MPs自身特性,其中的化学添加剂(邻苯二甲酸酯、芳基胺和重金属等)更容易浸出进入土壤环境,对土壤化学性质产生直接影响[17]。除了MPs本身对土壤化学成分的直接影响外,MPs还可以吸附其他污染物(重金属和有机物等)并影响其有效性[3]。MPs的老化程度也是影响MPs吸附性能的重要因素,许多研究表明老化的MPs对有机物和重金属等污染物具有更强的吸附能力[18]。

土壤pH值是土壤最重要化学的性质之一,对陆地生态系统结构和功能具有级联效应[19]。研究表明MPs可以显著提高或降低土壤pH值[3],这表明不同类型的MPs会对土壤pH值产生不同甚至相反的影响。Xu等人[20]研究了四环素在PS,PP和PE三种MPs上的吸附过程,结果表明三类微塑料对四环素的吸附过程以静电相互作用、疏水相互作用、π-π相互作用和极性相互作用为主,三种MPs对四环素的吸附能力依次为PS,PP和PE。此外,土壤pH值受到的影响还被证明与MPs的剂量、形状和暴露时间有关[3]。MPs对土壤生物过程(如硝化和反硝化)的影响也可能土壤pH变化的重要影响因素之一[21]。MPs对土壤中氮、磷等营养元素的影响也是一个重要的研究方向。有研究发现MPs的输入使得土壤中速效氮和速效磷含量显著降低[22]。MPs可能通过以下几种机制影响土壤养分含量:(1) 一些MPs(聚丙烯腈和聚芳纶)本身就含有一部分营养物质,在进入土壤环境后随着时间的推移逐渐释放出来[9]。(2) MPs可能直接吸附营养物质,从而改变其可用性。特别是长时间的风化和氧化的MPs拥有更高的吸附容量[23]。(3) MPs可以通过改变土壤中相关酶活性(脲酶、蛋白酶、磷酸酶),特殊微生物群落(硝化菌,聚磷菌),植物根系对磷的吸收利用等生物学性质来影响土壤营养元素含量[24]。

3 微塑料对土壤微生物性质的影响

除了MPs本身就可以作为载体为土壤微生物提供新的栖息环境外,MPs对土壤物理和化学特性的持续影响也难以避免的会对土壤微生物特性产生影响。微生物生物量和微生物活性可以反映土壤微生物的总体健康状况。几项研究探索了MPs对土壤微生物生物量的影响,有增加、无影响和减少多种情况[3]。总体而言,可生物降解MPs由于易被微生物分解利用,它们通常可增加土壤微生物生物量[25]。值得注意的是,当MPs尺寸小到一定程度(纳米级),它们可以直接穿透细胞膜对细胞造成物理损伤并影响细胞内环境,从而抑制微生物活性[26]。此外,MPs和其他污染物的复合效应也可能会导致土壤微生物活性的显著变化[27-28]。

微生物群落结构和多样性是土壤多功能性最重要的影响因素之一,高通量测序技术的成熟运用使得人们可以更深入的了解微生物群落的细微变化。首先,MPs自身可以作为土壤微生物的特殊栖息地,经过一定时间的环境暴露的后,微生物会逐渐在MPs表面定植并形成生物膜[29]。由于微环境不同,MPs会有选择性地富集合适的微生物菌群(放线菌、拟杆菌和变形杆菌等),因此MPs表面的微生物群落结构和多样性通常与周围环境有较大的不同[30]。此外,还有研究表明当MPs上吸附有抗生素等污染物时,MPs上抗生素抗性基因的丰度增加,而且随着粒径的增加、风化程度的提高和暴露时间的延长,MPs吸附更多的抗生素,抗生素抗性基因丰度也随之升高[31]。MPs的暴露也可能会改变土壤整体微生物群落结构和多样性。Wang等人[32]表明,LDPE MPs的暴露使土壤细菌群落的物种更替率提升了3倍,并且随着暴露时间的延长,土壤微生物群落的分化持续增加。不同的微塑料类型可能导致不同的微生物群落,PE和PVC MPs均降低了土壤微生物丰富度和多样性,但PE MPs降低得更显著[33]。可生物降解MPs和传统MPs对土壤微生物组的影响表现出较大差异,可生物降解MPs被证明可以促进土壤微生物的多功能性[34]。MPs的浓度、尺寸和形状也可能是MPs影响土壤微生物组的重要变量[3]。此外,许多研究还表明MPs的暴露会影响与植物共生的菌根真菌群落的丰富度和多样性[35]。菌根真菌被在土壤重金属、有机物污染修复和植物营养方面发挥着举足轻重的作用[36]。实际上,任何外源物质的输入都有很大可能会改变土壤微生物特性,我们研究MPs对土壤微生物特性的影响的主要目的是想通过分析微生物群落来探究MPs所产生的实际意义(例如功能强弱变化,养分含量变化等)。然而土壤微生物特性的改变及其所产生的影响很难用肉眼直接识别并进行量化,而且土壤微生物组是一个庞大且复杂的系统,影响基因表达的因素多种多样,又存在功能冗余等情况。因此,在研究MPs对土壤微生物特性的影响时尽可能地将更多的环境因素考虑进去,从而对其中相互作用的机制有更清晰的了解。

4 总结

综上所述,土壤物理、化学和微生物学特性均有可能随着MPs的暴露发生改变,这与MPs的类型、浓度、尺寸和形状有关,MPs的老化同样是一个重要影响因素。值得注意的是,目前关于MPs的大多是在实验室条件下进行的,且通常以高于环境实际浓度的剂量添加进试验土壤,这有可能对MPs所产生的实际生态影响评估造成干扰。因此,未来需要进行更多的基于野外的多尺度研究以更好地评估和防治MPs带来的生态风险。