土壤中微塑料污染的生態效應研究進展

范依，陳子聰，李璇敏，楊采瑩，梁杰雄，秦建橋，劉沙沙

（肇慶學院 環境與化學工程學院，廣東 肇慶 526061）

微塑料（MPs）污染已成為全球廣泛關注的環境問題.微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒[1]，土壤中的微塑料主要來源于大氣沉降、污水灌溉、污泥農用和農用地膜廣泛使用等[2].微塑料在自然狀態下不易與其他物質發生化學反應，因此可以長期存在于環境中.由于具有較大的比表面積和強疏水性，微塑料可以吸附其它污染物[3-4]，進而加劇其引發的生態風險.在各種物理化學作用下，微塑料會對土壤的物理化學性質和土壤生物等造成影響[5].目前關于微塑料進入土壤后對生物的影響已逐漸引起關注.Ng等[6]研究發現微塑料會阻礙土壤水分和養分的運輸，對土壤生物及其組成系統的總體多樣性和變異性產生不良影響.粒徑更小的微塑料可能會被植物吸收或被土壤動物攝食[6-8]，通過食物鏈傳遞，最終危害人類健康.

本研究總結了微塑料污染對土壤微生物、動物和植物的生態毒性效應，并針對當前研究存在的不足，提出了未來土壤中微塑料污染的研究方向，以期為微塑料對土壤生物的毒性效應及作用機理評估提供依據.

1 微塑料對土壤微生物的影響

土壤中的微生物在維持土壤生態系統的穩定和平衡方面起到關鍵性作用[9].微塑料及其吸附的污染物進入土壤后會對微生物群落的多樣性與豐度造成一定的影響.土壤中的微塑料可能會成為某些微生物的棲息地，并在微塑料表面形成生物膜[10]，因此微塑料表面與周圍土壤中微生物群落結構存在明顯差異[11].Tender等[12]在微塑料表面監測到大量的弧菌科和假單胞菌科，而這些細菌群在周圍土壤中的豐度卻很低.同時，微塑料還會干擾微生物群落的演替和進化過程.例如，聚乙烯（PE）的摻入會減弱蛋白質細菌的生存優勢，增強放線菌的生存優勢，使之成為新的優勢菌門，這表明微塑料具有改變微生物群落演替方向的潛力，會對微生物生態和土壤地球化學循環造成嚴重影響[13].在向土壤中加入低密度聚乙烯（LDPE）和聚氯乙烯（PVC）后，會發現土壤中絕大多數細菌群落的豐富度和多樣性顯著降低，但β-變形菌的豐度明顯增加[14-15]，從而證實了微塑料的存在可能會影響土壤中原有微生物群落的結構.此外，微塑料對微生物活性的影響表現出兩面性，如添加聚丙烯酸（PAA）、聚酯和聚苯乙烯（PS）均會降低微生物活性[16]，而添加聚丙烯（PP）能夠增強微生物活性.

微塑料進入土壤后可以使土壤的理化性質發生改變，進而間接影響土壤微生物菌群[17].微塑料能夠改變土壤孔隙度，從而導致微生物失去適合其生存的環境，甚至造成土著微生物的滅絕[18].在土壤中加入微塑料后，土壤的團聚性將會隨著微塑料顆粒的介入而發生改變.Zhang等[19]研究發現土壤中約70%的微塑料參與了土壤團聚體的形成，土壤孔隙度和濕度在團聚體形成后會明顯增大，進而引起土壤中氧氣含量的變化，導致好氧菌和厭氧菌在土壤中的生存區域發生改變[20].微塑料能夠吸收太陽輻射，導致土壤溫度升高，在寒冷地區，微生物群落很可能會因為土壤溫度細微升高而發生改變[21].

微塑料還會影響土壤酶催化物質轉化的能力，從而引起微生物群落結構和功能的變化[22].熒光素二乙酸酯水解酶（FDAse）可以作為評估土壤污染程度在短期內變化的有效指標,代表了整體微生物的代謝活力[23].De Souza Machado等[24]研究發現PE、聚酰胺（PA）和聚酯（PES）均增強了FDAse的活性，而PP、PS和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的作用效果并不顯著.另有研究表明，土壤中過氧化氫酶和脲酶的酶促轉化速率會受到微塑料的影響，從而改變土壤微生物群落的空間結構和種類結構[25].

長期存在于土壤中的微塑料可能會成為土壤微生物的附著載體，為微生物提供新的生存環境，進而改變微生物群落的多樣性、豐度、結構和功能等.微塑料進入土壤后可能會直接影響微生物的演替速度，還會導致土壤的孔隙度、濕度和通氣性等理化性質發生改變，從而間接地影響微生物群落.目前有關微塑料對微生物的影響機制尚不清楚，可將其作為今后的研究重點.

2 微塑料對土壤動物的影響

作為土壤生態系統中必不可缺的參與者，土壤動物可以促進土壤生態系統的物質循環，在影響土壤通氣狀況、養分有效性、微生物活性等方面發揮著重要作用[26-27]..土壤動物可以吞食微塑料而進入人體，攜帶微塑料在土壤中進行遷移；微塑料的存在會影響螨蟲、彈尾蟲在土壤中的行為活動[28]，塑料地膜的存在會降低土壤生態系統中無脊椎動物種群的多樣性[29].

目前關于微塑料對土壤動物的影響研究多以蚯蚓為主，高濃度的微塑料會損害赤子愛勝蚓的體表組織，誘發其氧化應激響應和神經毒性，威脅其健康[30].聚酯纖維微塑料的短期脅迫會對蚯蚓產生毒害作用，隨著培養時間增長，聚酯纖維微塑料對蚯蚓的體重、產卵數和死亡均沒有產生顯著的影響[31]..此外，在土壤中加入可降解微塑料會對蚯蚓富集六溴環十二烷（HBCDs）產生一定的影響，蚯蚓體內HBCDs的含量會隨著微塑料粒徑的減小呈現出先降低后升高的趨勢[32].許雅麗[33]研究了威廉環毛蚓對不同微塑料的排泄規律，并在蚯蚓的糞便中檢測出納米級微塑料，這表明蚯蚓的腸道消化作用可以在一定程度上降解微塑料.

除蚯蚓外，微塑料對其它土壤動物也存在著一定的影響.宋揚[34]研究發現微塑料的存在會影響白玉蝸牛的攝食和排泄，損壞其腸胃組織.微塑料的脅迫會改變無脊椎動物秀麗隱桿線蟲的壽命、體長和繁殖能力，引起其氧化應激和慢性神經毒性，導致線蟲死亡率提高[35].羅小鳳等[36]以14天（幼蟲）和21天（成蟲）的土壤白符跳蟲為實驗對象，研究廢料（塑料類廢料混合物）、保溫棉、麥麩和保溫棉混合物（質量比為9：1）、經黃粉蟲降解后細保溫棉形成的4種不同次生微塑料對土壤跳蟲的影響，發現次生微塑料會導致幼蟲死亡，成蟲產卵數降低，影響跳蟲的成熟率和繁殖率.在PVC暴露的情況下，土壤白符跳蟲體內腸道的微生物菌群也會發生改變[37].微塑料還會堵塞一些土壤動物洞穴，使其受困甚至威脅其生存[38].

微塑料進入土壤后會對土壤動物產生毒性作用，從體表、腸道到成熟率、產卵率等方面均有影響，這可能與微塑料的種類、粒徑和濃度及土壤動物對微塑料的偏食習性等有關；此外，微塑料還可以通過改變土壤動物的生存環境對其產生威脅.

3 微塑料對植物的影響

微塑料可以被吸附在種子表皮及根須表層，堵塞種子囊孔或細胞壁孔洞，從而抑制種子發芽和根部生長發育[39].劉鎣鎣等[40]研究發現小粒徑高濃度的高密度聚乙烯（HDPE）容易吸附在綠豆的根系表面，阻礙綠豆吸收土壤水分及養分，進而導致綠豆的發芽率和生長率降低.廖苑辰等[41]通過土培小麥研究發現當PS處理含量為100 mg∕(kg土壤）時，粒徑為5 μm的PS抑制了小麥葉綠素和類胡蘿卜素的合成；當PS處理含量高于10 mg∕(kg土壤）時，隨著處理濃度增大，小麥葉片光合色素和可溶性蛋白濃度顯著降低.聚乳酸（PLA）會抑制黑麥草種子發芽，同時還會降低黑麥草植株的高度[42].相反，土壤中一定粒徑和濃度的微塑料可以促進蔥、胡蘿卜、黑麥草等農作物生長，主要表現在生物量增加及根系增長等方面[43].吳佳妮等[44]研究發現0.02 μm和0.1 μm聚苯乙烯納米塑料（PSNPs）均會抑制大豆種子發芽，而在濃度為200 mg∕L時，2種不同粒徑（0.02 μm，0.1 μm）PSNPs對大豆幼苗生長的抑制作用最強，這表明在中等濃度時，一定粒徑的PSNPs容易進入植物體內，損害植物根系.

微塑料的摻入還會引起土壤容重、持水量和酸堿度等發生變化，從而改變植物的生長狀態[45].例如，HDPE可以降低土壤pH值，導致黑麥草的生物量明顯減少[42].Lozano等[46]研究發現微塑料纖維可以降低土壤假比重和水穩定團聚體，導致孔隙度增大，促進土壤空氣和大氣進行氣體交換，為根系在土壤中滲透提供有利條件，從而增加芽和根的質量.土壤理化性質的改變可能也會對植物根表及近根土壤中微生物的活性起到一定的促進或抑制作用[24,47-48]，從而間接影響植物的生長.在土壤中添加1%的LDPE可以促進植物根系微生物群落結構和活性發生變化，從而抑制小麥種子及幼苗的生長發育[49].此外，微塑料可以作為重金屬的載體，與重金屬在土壤環境中發生地球化學循環[50]，對植物生長產生不利影響，如土壤中的微塑料會與鎘產生協同作用，通過改變重金屬的生物可利用性和毒性，進而影響植物生長[51].

微塑料的長期存在可能會對土壤植物造成正面或負面的影響，一方面在于微塑料可以進入植物體內，阻礙種子發芽和根部生長；另一方面，微塑料可以改變土壤理化性質、根系微生物的結構和活性等，直接或間接地影響植物生長[52]，而不同的影響方式及生態效應可能與微塑料自身特性、植物種類和土壤條件等有關[24]，這些都將會對植物的生長和農產品質量帶來風險挑戰.

4 結論與展望

微塑料進入土壤后可能會通過物理、化學和生物等作用方式對土壤的理化性質及土壤中的生物造成一定的影響，但由于相關的研究起步較晚，微塑料對土壤生物的影響及可能機制尚不明確，相關理論方法也較為分散.在未來的研究中，可以從以下幾個方面進一步完善：

（1）目前大多使用初級微塑料進行實驗，而實際上土壤中的微塑料大多是以次級微塑料的形式存在，且其在土壤中的存留時間各不相同，因此構成的生態危害也有所不同，未來應深入了解不同來源、類別、形狀、粒徑和老化程度的微塑料對土壤生物的具體影響.

（2）當前研究大多是在實驗室環境條件下進行的，微塑料暴露量與實際環境濃度相差較大，且實驗周期較短，微塑料污染對土壤生態系統的長期影響尚不清晰.因此，未來還需開展跨地域的長期試驗，進一步探究微塑料在自然土壤環境下對土壤生物的影響.

（3）微塑料能夠吸附土壤中的重金屬、抗生素和有機污染物等，從而形成復合污染.目前有關微塑料作為污染物載體的生態效應研究較少，未來還需要深入探討微塑料和污染物之間的復合污染作用及其對土壤生態系統和人類健康的影響，進一步揭示微塑料污染的影響機制.