土壤微塑料污染及其分析方法

张宇恺，樊 丽，谢 帆，周明远，关 杰，高桂兰

(上海第二工业大学，环境与材料工程学院，上海 201209)

引 言

微塑料是指环境中粒径小于5 mm的高聚物微粒，有碎片、纤维、球型、薄膜等不同形态。环境中微塑料污染问题正受到全世界的关注，迄今海洋受微塑料污染的情况最为严重。海洋中的微塑料会在风力、洋流等外力作用下发生迁移[1]，并对海洋环境中的物质循环及能量流动产生影响。

目前，国内外对微塑料的研究重点在于其对海洋生态系统的影响，而土壤环境中微塑料的相关研究较少。然而，在工业生产、垃圾填埋及农用地膜等人类活动的影响下，进入陆地生态系统的微塑料数量越来越多[2]，并对陆地生态系统产生负面影响[3]。Gautam[4]对澳洲某工业区的调查表明，土壤中微塑料的含量达到0.03%～6.7%。挪威的一项研究[5]估计，在欧洲和北美，每年有11～73万t微塑料进入农业用土，约50%含微塑料的污水、污泥被用于农业生产，远高于排入陆地水环境中的微塑料含量。Rillig[2]指出，微塑料进入土壤后，经过复杂的物理化学作用后可能会影响土壤的性质、功能及结构。Ng[6]的研究表明，微塑料对土壤水分、养分的运输和生物多样性均有不良影响。Beckingham[7]发现，微塑料可作为环境污染物的载体，具备吸附和转移有机污染物(如多环芳烃(PAHs)、杀虫剂和除草剂)的能力，并可经土壤动物和微生物的摄食在土壤食物链中积累。因此，微塑料污染对陆地生态环境健康有重要影响[8]。

本文综述了土壤中微塑料污染的来源、微塑料对土壤生态系统的影响，以及土壤中微塑料的分析检测方法，并根据土壤中微塑料的特征及其生态效应提出相应的污染防治措施，为土壤微塑料污染的研究及其治理提供依据。

1 土壤微塑料污染

1.1 土壤微塑料污染的来源

1.1.1 塑料包装废弃物

塑料制品在人们的日常生活中非常常见，从1977年聚乙烯被用于食品包装袋开始，塑料在包装中的应用就得到了迅速发展，由此而来的塑料污染问题也愈发严重[9]。根据2020年最新研究结果表明[10]，在过去的40年里，约29%的塑料垃圾被回收再制成了再生材料，12%(8千万t)被焚烧处置、42%(2.84亿t)被填埋处置，剩下的17%(1.15亿t)未被适当处置而随意丢弃，塑料的年消耗量从1978年的100万t/a剧增至2017年的6.3千万t/a。数据显示[11]，每年超过900亿个脆弱的包装袋最终成为不可回收的废物。据中国国家邮政局统计[12]，2016年中国总共消耗了包装塑料袋68亿个、包装箱37多亿个、封套包装胶带将近34亿个，塑料污染问题尤为严重。塑料包装耐用性不强、使用率低，且废物管理不完善，导致塑料碎片在环境中大量积累。此外，塑料在分解过程中会释放出其中的添加剂和有害成分，这些物质在环境中不易发生降解而长期存在于土壤和水体中。Geyer等[13]估计，截至2015年已有约6.3亿t塑料垃圾产生，其中约1.2亿t将转移到土壤中，至2050年填埋于陆地环境中的微塑料预估会超过3亿t，对生态环境造成重大影响。

1.1.2 农用塑料地膜

聚乙烯(PE)在上世纪30年代开始被广泛用作农业中的塑料覆盖物，由于薄膜的覆盖隔离了外部空气和水的交换，所以它提高了土壤温度和湿度，并且一定程度上增加了土壤生物活性，增加了作物的产量[14]。然而，当塑料覆盖于土壤表层的过程中，其会经历物理破碎、化学氧化和生物降解等过程，并进一步转换成微塑料[15]。国家统计局的数据显示，2015年我国农用塑料地膜使用量超过了145万t，而世界范围地膜使用总量只有160万t。地膜覆盖面积近几十年也增加了数十倍，且因地膜易老化、破碎严重等问题，导致农田地膜回收率不足60%，成为农田生态系统中次生微塑料主要的来源之一[16]，土壤残留的塑料地膜达到了近10%的土壤总面积[17]。因而农用塑料地膜的使用是土壤中微塑料的主要来源之一。

1.1.3 大气沉降

大气中的微塑料可通过沉降进入土壤环境。周倩教授等[18]对我国烟台市大气环境中微塑料的类型、丰度、组成、沉降通量和一年四季动态变化进行了研究，结果表明研究地区大气微塑料沉降通量可达1.46×105个/ (m2·a)，其中纤维类微塑料的含量最高，其沉降通量达到1.38×105个/( m2·a)。Dris[19]对法国巴黎室内空气及大气中的微塑料进行了调查，研究结果显示微塑料的类型以纤维类最多。

1.2 微塑料对土壤生态系统的影响

微塑料进入土壤后在风化作用、氧化还原以及生物降解的影响下会发生物理化学变化，如表面积增大、疏水性增强。土壤的微塑料污染一方面会影响土壤的结构及其物化性质，如改变土壤对微生物、重金属以及有机污染物的吸附[20]，也可作为污染物的有效载体固定在土壤环境中；另一方面，微塑料会影响土壤生态系统，其会被蚯蚓等生物摄入而在土壤生物链中累积，从而影响各营养级土壤生物[21]。由于土壤生态环境十分复杂，微塑料对土壤物理化学性质及生态系统影响的研究刚刚起步，关于微塑料在土壤食物链中传递的认识仍然较少。

1.2.1 微塑料对持久性有机污染物的吸附

微塑料可以作为环境污染物的载体，其具有吸附和转移持久性有机污染物(如多氯联苯(PCBs)、多环芳烃(PAHs)、杀虫剂和除草剂)的能力，从而影响陆地生态系统健康[22]。Seidensticker等[23]在3种不同的pH值下对两种塑料和19种不同污染物进行了相关试验，研究发现微塑料对疏水性化合物的吸附性强于中性物质。Huffer等通过研究微塑料与脂肪族物质的吸附行为发现疏水性是影响微塑料吸附能力的主要因素[24]。Teuten等[25]研究发现，土壤中微塑料上存在的有机污染物浓度要远高于周围土壤环境，即微塑料可能是疏水性污染物转移的一种重要中间体，而疏水性有机化合物会引起更严峻的二次污染。微塑料进入土壤后经过风化作用下老化破碎，比表面积增大，同样对有机污染物的吸附有重要的影响。Wang[26]等将风化后粒径小于1mm的微塑料当作吸附剂对土霉素进行吸附，研究发现老化后的微塑料对土霉素的吸附能力要强于新鲜的微塑料。并且，pH、温度、与含水率都是影响微塑料吸附的重要因素[27]。

1.2.2 微塑料对重金属的吸附

重金属进入土壤后，不能被土壤微生物分解，数量也不会随时间推移而减少，只能在环境中迁移和转化[28]。重金属与微塑料在土壤环境中会发生地球化学过程[29]，两者的吸附机理包括：重金属阳离子的直接吸附作用、金属离子与塑料表面的带电区或中性区域发生络合作用、并与铁锰氧化物进行吸附作用。Ashton等发现重金属离子能通过静电作用与络合作用与微塑料表面的带电点位进行吸附[30]。不同金属在微塑料上的吸附率会有差异[31]。Massos和Turner[32]的研究表明，微塑料对Cd和Pb的吸附率分别为6.9%和7.5%。

一些环境因素也会影响塑料对重金属的吸附。Holmes[33]发现塑料对Ag、Cd、Ni、Pb和Zn的吸附量会随着pH的增加而增加，并且由于风化作用导致塑料老化，增加了塑料的极性。因此老化的塑料颗粒比新鲜的塑料颗粒有更高的吸附量。Rochman[34]报道称虽然不同类型微塑料吸附有机污染物浓度有很大差异，但不同类型塑料对金属离子的吸附浓度大致相同，因为生物膜会对塑料对重金属的积累有调节作用。

1.2.3 微塑料对土壤动物的影响

目前，微塑料对土壤动物影响方面的研究较少，其研究对象主要有蚯蚓等滤食性生物。微塑料会影响土壤动物的生存、繁殖与多样性。微塑料被动物摄入体内后，可以阻止食物通过肠道，而由于食入的微塑料替代了食物，也会引起生物的能量供应不足，影响其成长、存活和造成肠道损伤，微塑料分解时释放的有毒物质及其吸附的污染物会对生物个体及物种繁殖产生不同程度的影响[35]。部分土壤动物如蚯蚓可以摄入微塑料后将其消化[2]，这为土壤中微塑料污染的治理提供了一种方案，但是微塑料可能对土壤动物的肠道造成伤害并降低其存活率。

此外，土壤动物对微塑料在土壤中的迁移与分布具有重要影响。蚯蚓是微塑料在土壤中的重要携带者，微塑料碎片可以通过蚯蚓等生物的活动在一定区域内迁移。且土壤动物如摄入吸附污染物的微塑料，有害物质可通过食物链进行累积，从而对土壤生态系统构成威胁。Lwanga等[36]研究发现，微塑料能在庭院土壤—蚯蚓和土壤—鸡食物链中传递，从土壤到蚯蚓粪的微塑料富集系数高达12.7，而从土壤到鸡粪的富集系数高达105。

1.2.4 微塑料对土壤微生物的影响

土壤虽有很大的异质性，但仍能保持相对的动态平衡，土壤微生物在这一动态的稳定中起到了重要的作用，并影响大量重要的生态系统过程，包括养分的获取、氮素循环、碳循环和土壤形成。最近研究发现，微生物群落会选择微塑料作为栖息地生存，并且与周围环境中的微生物群落存在显著不同[37]。 例如，在塑料碎片上检测到一些细菌群如弧菌科或假单胞菌科，但这些细菌群在周围环境中浓度却很低。

关于微塑料对土壤微生物群落影响的研究主要集中在塑料薄膜对土壤微生物的影响和微生物对微塑料的降解这两方面[38]， Yang[39]等研究了常用除草剂草甘膦和农用地膜塑料对中国草甘膦腐烂和土壤微生物活动的影响，他们发现特别是在微塑性添加量较高的处理实验中，土壤微生物呼吸在整个实验过程中发生了显著的变化。Qian[40]等近期的研究表明，农用地膜的残留可以明显降低土壤中碳氮循环相关基因的表达，导致土壤碳氮含量下降，对土壤肥力产生负面影响。 而最近一些研究还揭示了微塑料破坏土壤和水之间重要关系的潜力，以及它对土壤结构和微生物功能的负面影响，并认为微塑料甚至是陆地生态系统全球变化的驱动力之一[41]。

2 土壤中微塑料的分析方法

作为土壤生物的栖息地，土壤是固体(如有机质、粘土、矿物质等)和液体的混合物[42]。由于土壤介质复杂，土壤的组成可能会影响浮选和分离的效果，并干扰红外显微镜在微塑料鉴定中的信号，其微塑料的分离鉴定相比水体样品困难许多。目前，土壤中微塑料的分析多是参照水体与沉积物中微塑料的研究方法，尚无统一标准的土壤微塑料分析方法。这在一定程度上限制了对微塑料定性定量分析的进程，也使得实验数据缺乏可比性。因此，探讨国内外土壤中微塑料不同的研究方法，制定有关土壤中微塑料分析的统一标准尤为重要。

首先，正确收集土壤样品是进行微塑料分析的最重要步骤。通常根据土壤类型，设置适当的采样点，以反映研究区域中微塑料污染的总体或平均水平，以便随后的定量分析可以准确地代表土壤微塑料污染的状况。其次，土壤样品应根据粘土和有机物的比例进行干燥、筛分、浮选、过滤和密度分离，然后进行有机物的消化。最后，需要在光学显微镜下目视识别潜在的微塑料，然后通过微傅立叶变换红外进行鉴定。

2.1 土壤中微塑料的采集

土壤中微塑料的采集首先通常需要规划一定面积的采样区域，确定采样位置、采样深度与样方的设计等，然后采用多点法在研究区域利用采样工具采集多个样品，以反映土壤中微塑料污染的总体或平均水平，以便随后的分析和量化可以准确地代表土壤微塑料的状况。这些样品根据研究目的一般分为表层样品或隔层采集的剖面样品[43]。如江滩、海滩微塑料调查一般布设数个垂直或平行于海岸线的样品带，通过正方形样方采样后把数个样品合并，最后综合评估研究区域的微塑料污染情况[44]。

土壤样品中微塑料采集的工具与方法针对不同的研究目的而有所不同。通常使用的采样工具有取土钻、钢铲、箱式采样器、钢勺、铁铲等[45]。研究微塑料的区域性分布时应选择样方调查法。目前尚无标准的土壤、沉积物中微塑料的采样方法，不同的研究报道中微塑料的丰度单位也并不统一，所以其数据缺乏可比性与准确性。

2.2 土壤中微塑料的分离

土壤的成分(有机物和其他杂质)，会影响微塑料浮选和分离的效果，并干扰红外显微镜信号识别微塑料。

筛分干燥土壤样品是进行分析的初始过程。 以前的研究中筛分尺寸多种多样，例如，使用5mm大小的筛子筛分干燥的海滩沉积物样品，以去除比较大的碎片； 然后使用堆叠的5mm和0.3mm筛子筛分沉淀物[46]。土壤样品的处理通常建议通过2mm筛，然后使用密度分离法来分离其中的微塑料颗粒。在该方法中，使用已知密度的盐溶液从样品土壤基质中浮选微塑料颗粒。将土壤样品加入高密度溶液时，塑料颗粒浮在溶液表面上，而更密集的土壤成分保留在溶液梯度的底部。常用的浮选试剂有NaCl，其饱和溶液密度为1.2 g/cm3，但提取高密度微塑料时效率较低，而饱和NaI与ZnCl2溶液的密度较高，可达1.5～1.8 g/cm3，能较为理想的提高对高密度塑料组分的提取效率，但价格较高[47]。此外，CaCl2溶液也可用于提取土壤中的微塑料[48]，与NaCl溶液相比其具有较高的提取效率，但Ca2+可聚集有机物质并影响随后的鉴定实验。加压流体萃取法是在亚临界温度和压力条件下，由固体中分离半挥发性有机物，能提取粒径小于30 μm的塑料制品，可分离PE、PVC、PP等多种微塑料[3]。 在最近的一项研究中，He[49]开发了一种在农业土壤样品中分离微塑料的方法，主要包括增加萃取次数和超声波处理，延长浮选时间。在总共九种常见的微塑料中，有七种类型的微塑料被成功从土壤中提取出来。对土壤中PVC、PET两种材质微塑料提取率很高。Crichton[50]研究出的石油提取方案，利用微塑料的亲油特性实现了从沉积物中分离微塑料的目的。利用这项技术，微塑料的回收利用率超过了90%。 最近另一项研究的重点通过微塑料的静电行为促进微塑料与水、沉积物和漂白砂等多种环境的分离；结果表明[51]每种塑料的回收率几乎高达100。然而，这个方法并不确定是否适合于从土壤中大规模分离微塑料。

2.3 土壤中有机质的去除

为了减少样品中有机物的干扰，一般还会对样品进行酸消解或者酶消解等处理，常用的酸包括HCl、HClO4和HNO3，但是高浓度的酸可能会破坏部分微塑料碎片从而影响实验结果的准确性。Deforges[52]等的研究发现，采用酸消解处理样品时，聚苯乙烯等的回收率在 90%以上 ，而尼龙纤维的回收率则接近于0。Hurley[53]等人比较了10%NaOH、10%KOH、30%H2O2溶液在土壤微塑料分析中对有机物的去除效果。研究结果表明，使用10% KOH于60℃消解一天的效果最好。

到目前为止，过氧化氢(H2O2)是最广泛地用于通过氧化从环境基质中去除有机物的试剂[54]。 H2O2、酸性和碱性处理可比较消化或去除效果。 例如，酸处理能够消化塑料本身[55]；而碱性处理会导致塑料自身的表面降解[54]。当PE和PP塑料与H2O2接触时，会发生轻微的变化[56]。 然而，最近的一项研究表明，大多数微塑料并不受H2O2消化的影响[53]。

2.4 土壤中微塑料的识别与表征

常用的微塑料的识别表征技术主要有3种。一是目检法，即利用肉眼或显微镜，用镊子挑取微塑料颗粒并将其分类。目检法所得出的结果易产生误判[57]，对于< 500 μm的微塑料颗粒误判概率过高，不应单独使用目检法。二是将目检法与光谱仪器分析相结合，这种方法虽然结果的精确度较高，但是操作有较大难度，耗时也较长。三是热解分析法，塑料聚合物通过热裂解生成特征热解图谱，进而分析样品中微塑料的化学成分。最近的一项研究表明，高光谱成像技术是一种潜在的技术，可以直接测定和可视化土壤表面粒径为0.5～5mm的微塑料[58]。另一项研究研究了一种热萃取解吸气相色谱质谱法(TED-GC-MS)，用于PE、PET、PP和PS的精确和高效定量[59]。总的来说，在分析土壤中的微塑料(如复杂和富含有机物的固体环境基质)方面仍然是一个很大的挑战。 目前用于分析土壤微塑料的方法是不完整的，包括报告单位、环境因素的影响、污染控制等，这导致不同研究之间的数据无法比较，并导致研究结果是否为微塑料污染的真实水平。

2.4.1 目检法

目检法是目前最常用的微塑料鉴别技术，但存在一定的争议。目检法能够分析各种环境介质中的微塑料，可以直接快速地获得微塑料的表面纹理和其他特征，然后可根据诸如尺寸、性状和颜色的特性对微塑料进行分类。微塑料的尺寸可以根据根据个体最长的维度进行分类，体积超过2 mm的微塑料可通过裸眼观察来进行分离与鉴别，而体积更小的微塑料需要借助显微镜来观察区分微塑料及其类似物，通常目检法选用的显微镜放大倍数在16倍范围以内。通常根据形状微塑料包括4个主要类型：纤维、碎片、泡沫和薄膜。 然而，目检法有较大局限性，例如R. Lenz[60]对目视观察法识别为微塑料的物质进行扫描电子显微镜(SEM)鉴定，约20%为来自煤灰的硅酸铝。应用拉曼光谱分析显示，32%目检计数的100 mm以下微塑料颗粒为其他物质。由于目检识别微塑料的准确性不高，故不建议作为单独鉴别的方法使用。

2.4.2 傅里叶红外光谱法

红外显微镜是微塑料鉴定中最广泛的技术之一。用傅里叶红外光谱法对每一个疑似塑料的颗粒进行图谱分析，不仅能够鉴别微塑料的聚合物成分[61]，避免非塑料颗粒的假阳性结果，而且还能表征微塑料，获取微塑料的数量信息。红外发射光谱则可以完成对较厚及不透明材料的分析，但该模式对待测样品表面的整洁和整齐程度要求较高。近年来由于计算机技术得到不断发展，可以运用阵列检测器(FPA)的反射模式，对表面大范围的微塑料进行检测，并且能达到较快的分析速度，同时不受其他杂质等因素的干扰[62]。

2.4.3 拉曼光谱法

光照射到物质上发生不同的弹性散射和非弹性散射。弹性散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，进而得到不同的拉曼光谱图，接着再通过对比光谱图谱库来鉴别聚合物成分，提供微塑料聚合物组成的相关信息[63]。但拉曼光谱成像时间过长导致实用性降低。并且由于有荧光干扰时不能生成可解译的拉曼光谱，所以拉曼光谱不能检测有荧光的样品。拉曼光谱通常与显微镜联用，通过与显微镜结合，拉曼光谱法不仅能够获得微塑料表面官能团的信息，还可以观测到局部的微观形貌，用于鉴定粒径>1 μm的塑料颗粒时，其空间分辨率比红外光谱分析仪高[64]，近些年拉曼光谱与显微镜联用越来越多的被应用在各个环境微塑料的鉴别[65]。

2.4.4 扫描电镜法

扫描电镜[66]能够直接利用样品表面材料的物质组成进行微观成像，是结合透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，能提供清晰、高倍数的微塑料颗粒的表面特性图像，使微塑料和其它有机物颗粒更加容易区分。扫描电镜法可与拉曼光谱法等方法联用互补，同时获取微塑料的成分信息对其进行鉴定。Li通过扫描电镜与能谱(EDS)相结合分析了鄱阳湖湿地沉积物中聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及低密度聚乙烯(LDPE)的微塑料表面，发现各种微塑料表面均多具粗糙、多孔、裂痕和撕裂等特征，并发现微塑料表面吸附了多种重金属元素[67]。

2.4.5 热分析技术

热解分析法如裂解气相色谱-质谱法(Py/GC-MS)是在程序控制温度下测量样品的性质随温度或时间变化的一类技术。随着温度升高，微塑料热裂解成为小分子化合物，通过气相色谱分离后，由质谱进行分析鉴定生成特征热解图谱，来确定微塑料的化学成分[68]。但因为不同的聚合物可能会产生类似的热裂解产物，所以Py/GC-MS法在推断样品的结构和组成时有较大的判错风险。此外，Py/GC-MS会破坏样品的结构，只能得出聚合物的总质量分数，不能得到微塑料的数量与粒径分布信息，其可作为鉴别微塑料的辅助手段。Fabbri[69]使用Py/GC-MS鉴别样品中土壤和悬浮固体颗粒物，结果在样品中不仅发现了多种微塑料，并且也确定了样品中其他的塑料颗粒。

3 结语与展望

微塑料污染于2015年被列入环境与生态科学研究领域的第二大科学问题，随着人们越来越重视微塑料问题，其研究进展迅速，但关注的领域主要集中在海洋水体与沉积物中微塑料的污染及其迁移转化。

目前对土壤中微塑料的研究还处于起步阶段，为了促进土壤生态系统中微塑料的研究及其污染防治，开展以下几项任务是必要的。

(1)深入了解土壤环境中塑料污染的现状，包括微塑料在陆地环境中的分布、迁移和降解，以揭示其环境行为和影响。

(2)开发土壤中微塑料分析鉴定的技术和方法。相较于水体，土壤介质相对复杂，微塑料的分离鉴定难度更高。且目前没有土壤中微塑料分析的标准化方法，使其研究结果的可比性较低，不利于研究微塑料对土壤环境的污染和影响。因此，对土壤介质中的微塑料进行采样、提取和检测，就不同性质土壤建立起不同类型微塑料的标准化分离分析方法与技术规范，可为土壤生态系统微塑料污染治理提供有效的科学依据和技术支撑。

(3)加强公众的环保意识，宣传推广垃圾分类等环保措施。微塑料污染的防治需通过减少塑料的使用和其向环境的排放。制定相关塑料生产使用的法律法规，依靠“限塑令”等法律手段来规定生产和引导人们的生活习惯，是控制环境中微塑料污染的有效举措。