土壤中微塑料污染的生态效应研究进展

范依，陈子聪，李璇敏，杨采莹，梁杰雄，秦建桥，刘沙沙

（肇庆学院 环境与化学工程学院，广东 肇庆 526061）

微塑料（MPs）污染已成为全球广泛关注的环境问题.微塑料是指粒径小于5 mm的塑料颗粒[1]，土壤中的微塑料主要来源于大气沉降、污水灌溉、污泥农用和农用地膜广泛使用等[2].微塑料在自然状态下不易与其他物质发生化学反应，因此可以长期存在于环境中.由于具有较大的比表面积和强疏水性，微塑料可以吸附其它污染物[3-4]，进而加剧其引发的生态风险.在各种物理化学作用下，微塑料会对土壤的物理化学性质和土壤生物等造成影响[5].目前关于微塑料进入土壤后对生物的影响已逐渐引起关注.Ng等[6]研究发现微塑料会阻碍土壤水分和养分的运输，对土壤生物及其组成系统的总体多样性和变异性产生不良影响.粒径更小的微塑料可能会被植物吸收或被土壤动物摄食[6-8]，通过食物链传递，最终危害人类健康.

本研究总结了微塑料污染对土壤微生物、动物和植物的生态毒性效应，并针对当前研究存在的不足，提出了未来土壤中微塑料污染的研究方向，以期为微塑料对土壤生物的毒性效应及作用机理评估提供依据.

1 微塑料对土壤微生物的影响

土壤中的微生物在维持土壤生态系统的稳定和平衡方面起到关键性作用[9].微塑料及其吸附的污染物进入土壤后会对微生物群落的多样性与丰度造成一定的影响.土壤中的微塑料可能会成为某些微生物的栖息地，并在微塑料表面形成生物膜[10]，因此微塑料表面与周围土壤中微生物群落结构存在明显差异[11].Tender等[12]在微塑料表面监测到大量的弧菌科和假单胞菌科，而这些细菌群在周围土壤中的丰度却很低.同时，微塑料还会干扰微生物群落的演替和进化过程.例如，聚乙烯（PE）的掺入会减弱蛋白质细菌的生存优势，增强放线菌的生存优势，使之成为新的优势菌门，这表明微塑料具有改变微生物群落演替方向的潜力，会对微生物生态和土壤地球化学循环造成严重影响[13].在向土壤中加入低密度聚乙烯（LDPE）和聚氯乙烯（PVC）后，会发现土壤中绝大多数细菌群落的丰富度和多样性显著降低，但β-变形菌的丰度明显增加[14-15]，从而证实了微塑料的存在可能会影响土壤中原有微生物群落的结构.此外，微塑料对微生物活性的影响表现出两面性，如添加聚丙烯酸（PAA）、聚酯和聚苯乙烯（PS）均会降低微生物活性[16]，而添加聚丙烯（PP）能够增强微生物活性.

微塑料进入土壤后可以使土壤的理化性质发生改变，进而间接影响土壤微生物菌群[17].微塑料能够改变土壤孔隙度，从而导致微生物失去适合其生存的环境，甚至造成土著微生物的灭绝[18].在土壤中加入微塑料后，土壤的团聚性将会随着微塑料颗粒的介入而发生改变.Zhang等[19]研究发现土壤中约70%的微塑料参与了土壤团聚体的形成，土壤孔隙度和湿度在团聚体形成后会明显增大，进而引起土壤中氧气含量的变化，导致好氧菌和厌氧菌在土壤中的生存区域发生改变[20].微塑料能够吸收太阳辐射，导致土壤温度升高，在寒冷地区，微生物群落很可能会因为土壤温度细微升高而发生改变[21].

微塑料还会影响土壤酶催化物质转化的能力，从而引起微生物群落结构和功能的变化[22].荧光素二乙酸酯水解酶（FDAse）可以作为评估土壤污染程度在短期内变化的有效指标,代表了整体微生物的代谢活力[23].De Souza Machado等[24]研究发现PE、聚酰胺（PA）和聚酯（PES）均增强了FDAse的活性，而PP、PS和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的作用效果并不显著.另有研究表明，土壤中过氧化氢酶和脲酶的酶促转化速率会受到微塑料的影响，从而改变土壤微生物群落的空间结构和种类结构[25].

长期存在于土壤中的微塑料可能会成为土壤微生物的附着载体，为微生物提供新的生存环境，进而改变微生物群落的多样性、丰度、结构和功能等.微塑料进入土壤后可能会直接影响微生物的演替速度，还会导致土壤的孔隙度、湿度和通气性等理化性质发生改变，从而间接地影响微生物群落.目前有关微塑料对微生物的影响机制尚不清楚，可将其作为今后的研究重点.

2 微塑料对土壤动物的影响

作为土壤生态系统中必不可缺的参与者，土壤动物可以促进土壤生态系统的物质循环，在影响土壤通气状况、养分有效性、微生物活性等方面发挥着重要作用[26-27]..土壤动物可以吞食微塑料而进入人体，携带微塑料在土壤中进行迁移；微塑料的存在会影响螨虫、弹尾虫在土壤中的行为活动[28]，塑料地膜的存在会降低土壤生态系统中无脊椎动物种群的多样性[29].

目前关于微塑料对土壤动物的影响研究多以蚯蚓为主，高浓度的微塑料会损害赤子爱胜蚓的体表组织，诱发其氧化应激响应和神经毒性，威胁其健康[30].聚酯纤维微塑料的短期胁迫会对蚯蚓产生毒害作用，随着培养时间增长，聚酯纤维微塑料对蚯蚓的体重、产卵数和死亡均没有产生显著的影响[31]..此外，在土壤中加入可降解微塑料会对蚯蚓富集六溴环十二烷（HBCDs）产生一定的影响，蚯蚓体内HBCDs的含量会随着微塑料粒径的减小呈现出先降低后升高的趋势[32].许雅丽[33]研究了威廉环毛蚓对不同微塑料的排泄规律，并在蚯蚓的粪便中检测出纳米级微塑料，这表明蚯蚓的肠道消化作用可以在一定程度上降解微塑料.

除蚯蚓外，微塑料对其它土壤动物也存在着一定的影响.宋扬[34]研究发现微塑料的存在会影响白玉蜗牛的摄食和排泄，损坏其肠胃组织.微塑料的胁迫会改变无脊椎动物秀丽隐杆线虫的寿命、体长和繁殖能力，引起其氧化应激和慢性神经毒性，导致线虫死亡率提高[35].罗小凤等[36]以14天（幼虫）和21天（成虫）的土壤白符跳虫为实验对象，研究废料（塑料类废料混合物）、保温棉、麦麸和保温棉混合物（质量比为9：1）、经黄粉虫降解后细保温棉形成的4种不同次生微塑料对土壤跳虫的影响，发现次生微塑料会导致幼虫死亡，成虫产卵数降低，影响跳虫的成熟率和繁殖率.在PVC暴露的情况下，土壤白符跳虫体内肠道的微生物菌群也会发生改变[37].微塑料还会堵塞一些土壤动物洞穴，使其受困甚至威胁其生存[38].

微塑料进入土壤后会对土壤动物产生毒性作用，从体表、肠道到成熟率、产卵率等方面均有影响，这可能与微塑料的种类、粒径和浓度及土壤动物对微塑料的偏食习性等有关；此外，微塑料还可以通过改变土壤动物的生存环境对其产生威胁.

3 微塑料对植物的影响

微塑料可以被吸附在种子表皮及根须表层，堵塞种子囊孔或细胞壁孔洞，从而抑制种子发芽和根部生长发育[39].刘蓥蓥等[40]研究发现小粒径高浓度的高密度聚乙烯（HDPE）容易吸附在绿豆的根系表面，阻碍绿豆吸收土壤水分及养分，进而导致绿豆的发芽率和生长率降低.廖苑辰等[41]通过土培小麦研究发现当PS处理含量为100 mg∕(kg土壤）时，粒径为5 μm的PS抑制了小麦叶绿素和类胡萝卜素的合成；当PS处理含量高于10 mg∕(kg土壤）时，随着处理浓度增大，小麦叶片光合色素和可溶性蛋白浓度显著降低.聚乳酸（PLA）会抑制黑麦草种子发芽，同时还会降低黑麦草植株的高度[42].相反，土壤中一定粒径和浓度的微塑料可以促进葱、胡萝卜、黑麦草等农作物生长，主要表现在生物量增加及根系增长等方面[43].吴佳妮等[44]研究发现0.02 μm和0.1 μm聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs）均会抑制大豆种子发芽，而在浓度为200 mg∕L时，2种不同粒径（0.02 μm，0.1 μm）PSNPs对大豆幼苗生长的抑制作用最强，这表明在中等浓度时，一定粒径的PSNPs容易进入植物体内，损害植物根系.

微塑料的掺入还会引起土壤容重、持水量和酸碱度等发生变化，从而改变植物的生长状态[45].例如，HDPE可以降低土壤pH值，导致黑麦草的生物量明显减少[42].Lozano等[46]研究发现微塑料纤维可以降低土壤假比重和水稳定团聚体，导致孔隙度增大，促进土壤空气和大气进行气体交换，为根系在土壤中渗透提供有利条件，从而增加芽和根的质量.土壤理化性质的改变可能也会对植物根表及近根土壤中微生物的活性起到一定的促进或抑制作用[24,47-48]，从而间接影响植物的生长.在土壤中添加1%的LDPE可以促进植物根系微生物群落结构和活性发生变化，从而抑制小麦种子及幼苗的生长发育[49].此外，微塑料可以作为重金属的载体，与重金属在土壤环境中发生地球化学循环[50]，对植物生长产生不利影响，如土壤中的微塑料会与镉产生协同作用，通过改变重金属的生物可利用性和毒性，进而影响植物生长[51].

微塑料的长期存在可能会对土壤植物造成正面或负面的影响，一方面在于微塑料可以进入植物体内，阻碍种子发芽和根部生长；另一方面，微塑料可以改变土壤理化性质、根系微生物的结构和活性等，直接或间接地影响植物生长[52]，而不同的影响方式及生态效应可能与微塑料自身特性、植物种类和土壤条件等有关[24]，这些都将会对植物的生长和农产品质量带来风险挑战.

4 结论与展望

微塑料进入土壤后可能会通过物理、化学和生物等作用方式对土壤的理化性质及土壤中的生物造成一定的影响，但由于相关的研究起步较晚，微塑料对土壤生物的影响及可能机制尚不明确，相关理论方法也较为分散.在未来的研究中，可以从以下几个方面进一步完善：

（1）目前大多使用初级微塑料进行实验，而实际上土壤中的微塑料大多是以次级微塑料的形式存在，且其在土壤中的存留时间各不相同，因此构成的生态危害也有所不同，未来应深入了解不同来源、类别、形状、粒径和老化程度的微塑料对土壤生物的具体影响.

（2）当前研究大多是在实验室环境条件下进行的，微塑料暴露量与实际环境浓度相差较大，且实验周期较短，微塑料污染对土壤生态系统的长期影响尚不清晰.因此，未来还需开展跨地域的长期试验，进一步探究微塑料在自然土壤环境下对土壤生物的影响.

（3）微塑料能够吸附土壤中的重金属、抗生素和有机污染物等，从而形成复合污染.目前有关微塑料作为污染物载体的生态效应研究较少，未来还需要深入探讨微塑料和污染物之间的复合污染作用及其对土壤生态系统和人类健康的影响，进一步揭示微塑料污染的影响机制.