城鄉景觀中土壤生態系統微塑料的來源、遷移特征及其風險

李 敏,楊 磊,趙方凱,陳利頂, *

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

塑料制品被廣泛應用于生產生活的同時也產生了大量塑料垃圾,報道顯示全球塑料垃圾僅有9%被回收利用,12%被焚燒,絕大部分則被堆積在垃圾填埋場或自然環境中,并且預測表明至2050年全球約有12000 Mt塑料垃圾將被排放到環境中[1]。大量塑料廢棄物在環境中經過各種物理、化學或生物作用形成微塑料顆粒,可以通過多種途徑直接或間接地危害生態系統安全和人類健康[2]。目前微塑料對海洋、淡水、河口等水生生態系統的影響受到了較為普遍的關注[3—5]。然而海洋環境中的大部分塑料顆粒(約每年4.8—12.7 Mt)來源于陸地生態系統[6],并且排放到陸地生態系統中的微塑料約為排放到海洋中的4—23倍[7]。微塑料在土壤中具有普遍性和持久性[8],但目前對土壤生態系統中微塑料的研究卻相對較為有限[2]。

微塑料不僅能改變土壤的物理、化學性質,還能與土壤生物(動物、植物和微生物)相互作用并影響其生態功能[2]。土壤微塑料作為城鄉景觀中的一種新型污染物,其來源、遷移特征及其對生態系統和人類健康的影響已成為當前公眾和科學研究共同關注的焦點,但目前還有諸多問題有待系統和深入地探討。土壤作為一個復雜的綜合體,受到自然、社會、經濟等多重因素的共同影響,特別是在快速城市化過程中,人類活動不斷加劇,人類活動范圍不斷擴張,形成了城市—城郊—鄉村這一具有復雜格局和環境梯度的城鄉復合生態系統,進一步影響了土壤生態過程及其功能[9]。現有研究表明,土壤環境中微塑料的來源及其組成與城鄉景觀環境特征、人類活動以及社會、經濟格局密切相關。例如,對全國19個省份的農業土壤微塑料研究發現,土壤微塑料的組成與農田覆膜基本一致[10]；對武漢城郊地區土壤微塑料的調查發現,這一區域土壤微塑料的豐度為320—12560個/kg,交通、生活垃圾和農業活動是城郊地區土壤微塑料污染的主要來源[11]。從復合生態系統的角度來識別土壤微塑料在城鄉景觀中的分布、來源、遷移特征、污染狀況及其生態和環境健康風險對于維護土壤健康、提升土壤生態系統服務具有重要的科學意義。基于此,本文梳理了城鄉景觀中土壤微塑料的來源、遷移過程及其特征,分析了土壤微塑料的生態風險,并對未來研究方向進行了展望,以期為城鄉復合生態系統土壤生態安全與人居環境健康提供科學參考。

1 城鄉不同景觀中土壤微塑料的來源及其特點

城鄉復合生態系統中土壤微塑料的來源、分布及其遷移過程受到自然因素和人類活動的共同作用,尤其是社會、經濟因素的影響,使得城鄉景觀中土壤微塑料的來源及其特點存在較大的差異。

1.1 城市區域

城市土壤中微塑料主要來源于生活廢水再利用、大氣沉降[12]、輪胎磨損[13]等。在城市環境中,經濟發展水平較高,人口數量大,產生了大量生活廢水,而生活廢水中包含著大量微塑料顆粒。研究表明,人造合成纖維紡織品在洗衣過程中受到機械和化學作用會釋放出微纖維[14],家用洗衣機對衣物進行洗滌的過程中,每公斤衣物釋放的微纖維量在124—308 mg[15]。另外,球形、螺紋或者不規則形狀的微塑料顆粒常被添加到個人護理用品中,再通過洗滌等途徑進入生活廢水中[16]。城市生活廢水經過一定的處理后被用于灌溉土地[17],對上海市大型污水處理廠的研究表明,其對生活污水中微塑料的去除率僅為60%左右[18],這些殘留的微塑料會通過廢水再利用這一途徑進入到城市土壤環境中。大氣沉降也是微塑料進入城市土壤的重要方式[12]。研究發現每年通過大氣沉降到巴黎的纖維類微塑料大約有3—10t,并且城市中微纖維的沉降量要比城郊高[19]。在東莞、上海、漢堡等城市大氣沉降物中也檢測到了微塑料的存在[20—21]。城市街塵中也普遍存在微塑料顆粒,例如伊朗Asaluyeh(60000個/kg)[22]、Bushehr(21000—165800個/kg)[23]、Tehran(2766—20166個/kg)[24]等地區的街塵中均發現了微塑料,并且豐度較大,而其他地區如澳大利亞Victoria(21—529個/kg)[25]、日本Kusatsu(2500個/kg)、尼泊爾Kathmandu(3900個/kg)、越南Da Nang(4100個/kg)[26]等地區街塵中檢測到的微塑料豐度則相對較低。道路上輪胎磨損產生的橡膠微粒可通過大氣沉降或地表徑流等形式進入道路及其周邊土壤環境中[26—27],并且受城鄉交通流量差異的影響城市街塵中微塑料的豐度要遠高于鄉村街塵,使得城市土壤中通過地表徑流遷移導致的微塑料負荷要高于鄉村土壤[25]。以上研究可以看出,建立社會、經濟活動的格局特征與土壤微塑料的關系,是土壤微塑料的來源識別和風險評估的科學基礎。

1.2 城郊區域

城郊是城市生態系統與鄉村/自然生態系統的交錯地帶,景觀類型多樣,結構復雜,使得土壤中微塑料污染較為復雜。城郊地區分布有一定面積的農田,并且靠近人類密集活動區,通常會有垃圾隨意丟棄和堆積、污水灌溉、廢棄物再利用等現象,成為微塑料進入土壤生態系統的主要途徑。例如,有研究發現農用地膜及城市污泥施用是城郊菜地土壤微塑料的主要來源,在0—3 cm和3—6 cm土壤中微塑料的豐度分別為(78.00±12.91)個/kg和(62.50±12.97)個/kg,主要形態為纖維、碎片和薄膜,多為黑色或透明色[28]。還有研究證實城郊菜地土壤普遍受到微塑料的污染,并且微塑料豐度高于城市居民區土壤[11]。城郊地區大量存在的垃圾填埋場也被認為是土壤中微塑料的重要來源。He等[29]在上海、無錫、蘇州和常州四個地區城市固體廢棄物堆填區的滲濾污水樣本中發現了17種不同類型的微塑料,濃度為0.42—24.58個/L,99.36%的微塑料來自垃圾填埋場的塑料垃圾碎片。然而需要注意的是,垃圾填埋場并不是微塑料的最終歸宿,而是向土壤釋放微塑料的一個潛在來源。城郊地區處于城市與鄉村的交界地帶,工業和農業活動同時存在使得城郊地區面臨較高的土壤微塑料污染風險,對城郊用地進行合理規劃和布局,有效降低土壤微塑料污染風險。

1.3 鄉村/自然區域

鄉村地區農田中的微塑料污染及其對土壤生態系統的影響是當前研究的熱點。目前普遍認為農業生產活動(包括農用薄膜的使用、有機肥施用及污水灌溉等)是造成鄉村地區農田土壤微塑料污染的主要驅動因素[30]。農用薄膜具有保溫、保濕、防蟲和抑制雜草等作用,能大幅提高農作物產量,我國近幾年農用薄膜使用量大大增加,從2000年的1.33×106t增長到2018年的2.47×106t[31],但殘留在土壤中的地膜會逐步破碎裂解為微塑料顆粒,直接進入到農田土壤中[32]。

農田土壤中的微塑料還有一部分來自于土壤改良劑。污泥和以城市廢棄物和畜禽糞便等加工而成的有機肥因其能為植物提供養分、改善土壤質量,增加土壤碳庫等優勢而被許多國家地區大力推廣,但這些土壤改良劑中存在大量的微塑料,并且很難被去除[33]。Li等[34]在我國 11個省份 28個污水處理廠采集污泥樣本發現,干污泥中微塑料平均含量為22.7±12.1×103個/kg,按此估算我國每年大約有 1.56×1014個微塑料顆粒通過污泥進入到自然環境中。有機肥中也存在一定數量的微塑料,并且容易被忽視。Weithmann等[35]研究發現有機肥中直徑大于1mm的塑料碎片在14—895個/kg,并以此保守估計德國每年有350億—2.2萬億個直徑大于1mm塑料碎片通過有機肥施用進入到土壤中。我國是有機肥生產和使用的大國,經估算每年有機肥的施用將會導致52.4—2.64×104t微塑料進入到土壤中,若考慮粒徑更小的微塑料顆粒,則土壤承接的微塑料將會更多[36]。因此有機肥施用作為土壤微塑料的一個重要來源需要引起關注。污水灌溉也會導致農田生態系統土壤微塑料豐度的增加。有報道表明目前全球約有3.59×105km2的農田灌溉都是使用未處理或者部分處理的城市污水[37]。地表水灌溉農田也存在微塑料污染的風險,目前已有較多關于地表水中微塑料污染的研究,在我國河流湖泊中普遍檢測到微塑料的存在[38—40],甚至地下水中也存在一定的微塑料顆粒[41]。通過以上案例可以看出,鄉村、自然土壤同樣受到微塑料的污染,特別是農田生態系統中土壤微塑料污染已經成為一個重要的環境問題,解析微塑料污染的源頭、明確其在土壤—植物系統中的傳輸過程及其生態風險是保障農田生態系統可持續發展的關鍵(表1)。

表1 不同景觀中土壤微塑料的主要來源和特征

2 城鄉景觀中土壤微塑料的遷移特征

塑料作為一種完全由人類制造的材料,是由社會的需求驅動了生產,經濟和社會因素又決定了其使用及其在空間上的布局,最后經人類活動釋放到環境中的,微塑料在城鄉景觀中的組成、遷移及其驅動機制復雜且多樣,并且受到社會經濟因素影響下人類活動的強烈驅動(圖1)。微塑料在城鄉景觀中通過人為運輸、大氣輸送和地表徑流等途徑進行遷移,其自身在土壤中也存在遷移現象,其中通過人類運輸活動進行遷移是微塑料在城鄉景觀中遷移的主要特點。

圖1 城鄉景觀中土壤微塑料的主要遷移途徑

在城鄉景觀中,受社會經濟因素的驅動城市產生的廢物和廢水等通過人為運輸被轉移到垃圾填埋場、污水處理廠、農田等地區,微塑料也伴隨著運輸過程從城市生態系統被轉移到城郊或鄉村地區,增加城郊和鄉村土壤中微塑料的輸入風險。盡管部分垃圾填埋場會設置隔離層防止土壤污染,但在大多數發展中和不發達地區,廢棄物管理措施并不完善,會造成微塑料進入土壤環境中[16]。另外,污水處理廠產生的污泥廣泛應用于農業生產中,污泥中的微塑料直接或間接的遷移到農田土壤中并長時間保留,對土壤動物、微生物和植物構成持續威脅[49—50]。此外,大氣輸送也是微塑料在城鄉景觀中進行遷移的途徑之一。例如,Cai 等[51]和Dris 等[19]分別對東莞和巴黎大氣中微塑料的沉降進行初步的探索發現大氣中的微塑料以纖維為主,可能來源于衣物、建筑材料或者紡織品加工廠,通過風力運輸或者降雨而被沉降到其他區域。尤其值得注意的是,微塑料可以通過大氣運動進行遠距離的遷移并沉降到自然生態系統中,造成更多未知的風險[52]。地表徑流是微塑料在陸地遷移的另一重要途徑[53],例如在城市中,道路輪胎磨損產生的微塑料會隨著雨水的沖刷遷移到地表水體及周邊土壤中[54],還有研究表明農田中低密度微塑料水平遷移主要由水土流失過程驅動(>96%),僅有4%的微塑料通過滲濾作用及壤中流運動在土壤孔隙中遷移[55]。

微塑料在土壤中同樣存在遷移現象,土壤微塑料可以通過農業耕作、土壤生物活動、植物根系的生物干擾作用和土壤的淋濾作用等進行。其中,耕作活動主要通過對表層土壤和深層土壤進行翻轉,從而導致表層富集的土壤微塑料向深層土壤遷移[56]。土壤動物在土壤中的運動行為會導致微塑料在土壤中的遷移,微塑料可以粘附在蚯蚓的體表,以及通過蚯蚓的攝食和排泄在不同深度土壤中進行遷移[57—58]。例如,Huerta等[58]將蚯蚓暴露于不同濃度微塑料的土壤中,發現蚯蚓會將微塑料帶到其洞穴中。除蚯蚓外,也有研究發現彈尾目昆蟲(如,Folsomiacandida和Proisotomaminuta)也可以將微塑料從表層土壤遷移到深層土壤[59]。另外,植物根系運動、根系吸水等根系生物干擾作用對土壤顆粒的運移有顯著的影響[60],所以推測土壤中的微塑料也會隨著植物根系的活動而在土壤中進行遷移[61]。在土壤環境中,微塑料除了可以借助人為和生物干擾作用遷移外,土壤本身作為一種多孔介質,其淋濾作用對土壤微塑料的垂直遷移可能有更加顯著的作用。例如Cey等[62]通過實驗發現,在最高滲透率下微塑料球可以隨水流運動到達70 cm土壤層,并且微塑料在不斷的垂直遷移過程中最終可能會進入地下水,造成地下水微塑料污染[63]。

3 土壤微塑料在城鄉景觀中的生態風險與潛在健康風險

微塑料在土壤生態系統中不斷積累,其生態風險與潛在的健康風險已引起普遍關注,在城郊和鄉村地區,土壤微塑料會影響土壤的結構和性質,威脅土壤生物和植物的生長發育和繁殖,對土壤生態功能的維持產生不利影響。研究表明微塑料進入土壤后能夠對土壤的結構、pH、有機質和團聚體等產生影響[64],還會影響水分遷移過程[65],改變土壤的營養成分[66],對土壤結構和性質產生諸多負面影響。土壤生物(動物、植物和微生物)不僅會受到微塑料污染的直接威脅,而且還會由于土壤理化性質的改變,間接影響動物、植物、微生物的生長發育和繁殖。例如,有研究發現微塑料能夠顯著抑制蚯蚓的生長,并且能夠觀察到蚯蚓組織的病理學損傷,在暴露濃度在1%—2%時有致死效應[67],微塑料還會阻塞土壤動物的洞穴,使其生存困難[68]。有研究表明微塑料會阻塞植物種子的種孔和吸附在根毛上,從而影響植物種子的萌發和根的生長[69],并且微塑料能夠被植物根部吸收和富集,進而遷移到莖葉中[70]。Bosker等[69]研究發現微塑料會使維管植物Lepidiumsativum的發芽率顯著下降,并且抑制根的生長。微塑料為微生物提供了新的生態位[71],有研究發現微塑料能夠富集病原菌[72]從而帶來較高的生態風險,微塑料引起的土壤理化性質變化會改變土壤微生物的生存環境,導致微生物群落結構和多樣性的變化[73]。

塑料在加工過程中通常會加入多種化學添加劑,如阻燃劑、增塑劑、染色劑等來增強塑料制品的應用性,因此塑料本身含有一些污染物[74]。進入到土壤中的塑料制品,經過長期風化、紫外線照射、破碎裂解等變成微塑料顆粒,在這個過程中塑料中的有毒物質可能會釋放到土壤中[75]。有研究表明PS[76]、PVC[77]和聚碳酸酯(PC)[78]可以釋放有毒單體,而這些單體可以導致人類、嚙齒動物和無脊椎動物的癌癥和生殖異常。另外,土壤微塑料由于比表面積大、吸附位點多、表面官能團多等原因,在復雜的土壤環境中容易吸附重金屬、多環芳烴、農藥、抗生素、抗生素抗性基因等污染物[2],從而使土壤污染加劇和復雜化,增加人類健康風險。此外,研究發現微塑料表面尤其是凹坑和薄片,易被各種土壤微生物定植[79],使得微塑料可能成為致病菌的載體[80],成為傳播和富集病原體的媒介。

土壤微塑料可以通過食物鏈的傳遞和富集由鄉村和城郊地區遷移至城市地區,從而給人類帶來較高的健康風險,這一傳輸過程與微塑料人為運輸的方向恰恰相反(圖2)。例如有研究揭示了食物鏈(土壤—蚯蚓—雞)中微塑料的傳遞與富集狀況,發現在土壤、蚯蚓、雞的嗉囊和雞糞中微塑料的濃度分別為(0.87±1.9)個/g、(14.8±28.8)個/g、(10.2±13.8)個/g和(129.8±82.3)個/g[81],微塑料從土壤到蚯蚓的富集系數為12.7,從土壤到雞糞的富集系數高達105,從土壤到雞的砂囊中的富集系數為 5.1[36],證明了微塑料可以在食物鏈中進行傳遞和積累,從而通過食物攝取進入到人體中。李連禎等[70]發現PS微球(0.2 μm)可被生菜根部大量吸收和富集,并可以從根部遷移到地上部分,積累和分布在可被直接食用的莖葉之中。微塑料可以通過攝食、呼吸和皮膚接觸等途徑進入到人體中[82],當微塑料顆粒進入到人體后,可能會通過顆粒毒性、化學毒性以及病原體和寄生蟲媒介對人類健康造成不利影響[83]。目前研究發現,微塑料進入人體后會被積累到腸道中,但也有少數微塑料通過腸道屏障進入到循環系統中[84]。腸道中的微塑料可能會引起局部炎癥,擾亂內分泌調節,影響人類正常的胃腸功能；另一方面,微塑料在腸道中的積累會破壞腸道微生物的群落組成和多樣性,引起腸道微生物群落失調[85—86],從而影響人類健康。有生理學研究表明,PS納米顆粒會影響人胃腺癌上皮細胞的活力、炎癥基因表達和形態[87]。此外,當上皮細胞暴露于微塑料或納米塑料中時可能會出現氧化應激反應[88]。還有研究發現44nm的PS納米粒子進入胃腺癌細胞后會抑制細胞活力,強烈誘導IL-6和IL-8基因的上調,使細胞產生毒力基因[87]。因此推測微塑料污染可能會使人體基因組或者行為方面產生不可預測的變化[86]。土壤環境中微塑料污染通過食物、呼吸和接觸等途徑傳遞引起的呼吸道刺激、哮喘、肥胖、胃腸病及心血管疾病等[89]都對人類健康造成嚴重威脅。

圖2 土壤微塑料的健康風險在城鄉景觀中的傳遞

4 未來研究展望

微塑料在土壤環境中的不斷積累與遷移,會對土壤生態系統和人居環境產生深遠的影響,但當前關于土壤微塑料的研究還處于探索和積累階段。微塑料在土壤生態系統中的運移規律、對生態安全與環境健康的影響、土壤微塑料的時空模擬與風險評估等問題亟需深入研究,未來研究可以從以下幾個方面重點開展：

(1)闡明微塑料在城鄉復合生態系統土壤中的分布特征和遷移規律。受城鄉復合生態系統中景觀格局、功能區劃、人類活動、環境背景等多重因素的影響,土壤微塑料的來源廣泛,在空間上的運移過程復雜,目前尚沒有系統的沒有研究揭示其遷移過程,特別是野外實驗缺乏。未來研究中應該進一步明確不同尺度土壤微塑料的“源”、“流”、“匯”景觀,考慮不同環境條件下社會、經濟格局特征及其動態過程對環境中微塑料的產生、遷移過程的影響,明確城鄉景觀中微塑料的物質流過程及其在土壤環境中的富集特征,建立社會、經濟、生態格局與微塑料產生和遷移過程的聯系。

(2)進一步明確土壤微塑料對土壤生態系統的作用機制及其對人類健康的影響。微塑料對多個重要土壤生態過程的影響并不十分清楚,微塑料進入土壤以及在土壤中長時間的富集對土壤生態功能的影響還需要進一步明確。未來研究中更需要進一步揭示土壤微塑料富集及其遷移過程對關鍵土壤生態服務的影響,明確其作用過程、機制與關鍵影響因素。微塑料對人類健康影響的研究也處于起步階段,以研究模式生物和細胞為主,并且類型單一、劑量高,下一步應該更加全面和準確地評價微塑料的毒性效應,明確其健康影響機制。特別是在城鄉復合生態系統中,微塑料常與其他污染物形成復合污染,具有多源頭和復雜的遷移過程,使其生態風險和健康風險較高,城鄉復合生態系統中土壤微塑料污染對人類健康的作用過程及其風險亟需進一步明確。

(3)建立土壤微塑料遷移過程及其風險預測模型。目前還未建立科學的土壤微塑料污染風險評價體系,應基于土壤微塑料在城鄉景觀中的來源、遷移特征及其健康風險,結合城鄉格局、功能分區、社會經濟活動的空間布局及其流動特征,充分考慮環境背景構建土壤微塑料遷移過程及其污染風險預測模型,開展土壤微塑料污染的模擬預測,以更有針對性地減少土壤微塑料污染,充分考慮社會、經濟、生態等因素的協同與權衡關系進行管控和治理,以提升城鄉復合生態系統土壤安全、維護人居環境健康。