水环境中微塑料的生态效应及去除研究进展*

蒋燕虹 程潞 向玉玉 梁宇杰 何慧军 张衿潇

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院 广西桂林 541004；2.桂林理工大学化学与生物工程学院 广西桂林 541004)

0 引言

微塑料是指粒径极小(通常小于5.0 mm)的塑料碎片、纺织纤维或者塑料薄膜。在环境中，微塑料常被分为初生(一次)微塑料和次生(二次)微塑料。前者是指经自然水体、污水处理厂等排放进入环境的微塑料颗粒，或者是含有细小塑料颗粒和树脂颗粒的工业产品，如洗护用品、医学药品、涂料等；后者是指生产使用后被遗弃的大型塑料经物理、化学和生物作用进一步转化为具有较大比表面积的微小塑料颗粒[1]。

基于合成聚合物的耐用性、多功能性、成本低等优势，塑料制品的生产量和使用量与日俱增，全球塑料产量从1950年的150万t增加到2017年的3.48亿t，预计到2050年，全球累计塑料产量将达340亿t[2]。我国的塑料产量也非常可观，仅2020年5月就生产了670万t。除了约21%的塑料能被有效处理之外，还有约79%的塑料将被丢弃在陆地或海洋中。在全球生产的这些塑料中，大部分是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯类型，这些聚合物进入环境后，不易被环境降解，能在环境中长久存在。有研究显示，全球大多数海岸线均检测到微塑料的存在，其中太平洋和北大西洋为主要聚集地，甚至在北极地区都检测出大量微塑料。2018年，中国科学院深海科学与工程研究所在全球最深处马里亚纳海沟发现了微塑料，其中取样点最深约11 km[3]；2020年，有研究者在世界最高处珠穆朗玛峰的水样本中也检测出了微塑料，由此说明微塑料已遍布全球的各个角落。随着塑料产量的增加，微塑料在环境中的量日益增大，其对环境污染的范围也不断扩大，对各个生态领域产生了深远影响[1]。例如，崔铁峰等[4]研究发现微塑料富集在中华绒螃蟹体内，影响体内分子的转运与酶活性，进而对其生长发育、生殖性能和免疫系统等各项生命指标造成危害。此外，由于微塑料粒径小、比表面积大、疏水性强，极易与环境中的致病菌、重金属或有机污染物相结合，形成复合污染物。

基于此，本文在前人有关水环境微塑料的研究基础上，初步综述了微塑料在水环境中的迁移转化途径，以及对水环境的生态效应，并通过对已有研究结果的分析和总结，探讨了去除水环境微塑料的相关技术，为减轻微塑料的水环境效应提供一些技术借鉴和指导。

1 微塑料在水环境中的迁移转化

进入水环境后，密度较大的微塑料因重力作用而沉积在底泥中，而密度较小的微塑料则漂浮在水面上，借助外力迁移，或被生物摄食后在食物网中传递和累积。而微塑料再进入水环境中的方式有多种，包括陆域、大气沉降等，进入水环境中的微塑料又会因环境中的各种物化作用或生物作用而被进一步转化。

1.1 在水环境中的迁移方式

水环境中微塑料的主要来源途径为陆源输入。当人类生产生活产生的塑料废弃物被丢弃后，受到雨水冲刷或者空气扰动而直接进入水体，并在环境作用下进一步分解成细小的微塑料，并随水环境进行迁移。陆地中的微塑料还可能经土壤淋溶的方式渗入到地下水，并随其进行远距离迁移。董姝楠等[5]研究发现地下水中的微塑料主要来源于土壤中微塑料的竖向迁移以及地表-地下水的交换。另一种进入水环境的方式为大气沉降，悬浮在空气中的微塑料经大气沉降作用进入土壤或水体。DRIS R等[6]在巴黎城市集聚区的大气微塑料沉降调查中发现，每年通过大气沉降到该区域的微塑料含量高达3～10 t。除了陆源输入和大气沉降之外，船舶运输、水产养殖、临海旅游等也是水环境中微塑料的重要来源。船体塑料装置的损坏、航运事故的发生、水产养殖使用的塑料制品老化、游客随意丢弃的塑料垃圾等都会加重水体微塑料的污染。在多种输入途径下，导致水环境中微塑料的含量不断增大，并随着大气湍流运动和水循环运动，使得微塑料存在于各个生态系统中。根据现有调查数据显示，我国长江入海口微塑料平均含量为4.14×103片/km2，莱茵河微塑料平均含量高达8.93×105片/km2。

1.2 在水环境中的转化途径

当塑料进入河流、海洋等水环境后，会经过一系列的作用被转化成细小颗粒，如物理、化学和生物作用等，使大块塑料的粒径到达微米甚至纳米级别，堪称水中的“PM2.5”。在这些转化过程中，风化、海浪冲击、石头碎化、河床碰撞等机械作用可使微塑料破裂分解，长期暴露在紫外线和空气中也会使其逐渐老化分解，最终变成细小颗粒。此外，微塑料被生物捕食后，还可能经咀嚼和胃囊磨碎等作用，使得粒径变小。颜景莲[7]研究发现在完全自然条件和人工实验条件下，不同的塑料材料都会发生老化失真现象。另外，一些塑料可被环境中的某些微生物降解，最终实现微塑料的完全转化，这也是微塑料降解最理想的方式。

2 水环境中微塑料的生态效应

自从微塑料进入大众视野后，其对人类和其他生物的毒害效应或潜在危害备受关注。相较于“白色污染”，微塑料对水环境的危害程度更深、范围更广、后果更严重。

2.1 对水生动物的影响

由于微塑料粒径细小，极易通过消化道、呼吸道进入水生动物的肠胃、肺或腮，再到血液循环系统、肝脏或肾脏。进入体内的微塑料大部分会随粪便排出，但有少部分会继续存在于水生动物体内，这部分微塑料会导致动物新陈代谢紊乱、生理应激、免疫力下降、肠胃受损，甚至突破血脑屏障进入中枢神经系统引发神经系统毒性效应，最终导致生物死亡。有研究者在水生动物的肝组织中发现了大量微塑料的蓄积，出现糖原消耗、脂肪空泡化和细胞坏死等现象，导致肝损伤甚至肝死亡[8]。暴露在含微塑料的水环境中的鱼类，其产卵量和存活率都大幅度降低，甚至出现畸形幼鱼；微塑料在生物体内富集后，在食物链中传递，产生一系列生理毒性效应。除此之外，微塑料可能还会吸附水中的其他物质(如双酚A、壬基酚、邻苯二甲酸盐酯等)引起协同毒性作用，干扰动物内源性激素的分泌，导致性腺发育迟缓，影响生殖能力。

2.2 对水生植物的影响

微塑料不仅对水生动物有一定的毒害作用，同时也可能通过降低水生植物的光合作用，进而抑制水生植物的生长发育。粒径极小的微塑料会黏附在植物体表面，堵塞植物的气孔，或者被植物根系吸收，进入植物的各个组织中，降低光合色素含量等。张晨等[9]研究发现沉水植物暴露在含微塑料的水中时，植物叶片出现发黄、残叶现象，其生长和光合作用都受到了严重抑制。此外，粒径较大的塑料细丝、纤维和碎片还会被海草等水生植物拦截，形成天然的纤维团块，阻碍植物的生长，在实际应用中也可以根据这一特性，利用水生植物来捕获微塑料，以实现对水中微塑料的去除。据统计，1 kg植物可富集约1 470片塑料，富集量已超过了某些处理工艺的去除量。

2.3 对微生物的影响

水中的微生物在整个生态系统中发挥着积极的作用，但微塑料的存在会严重抑制水中微生物的生长，进而影响微生物在生态系统中参与的物质和能量循环过程。在通过对水中微生物影响的培养实验中发现，与空白实验相比，聚氯乙烯微塑料的存在严重抑制了细菌的硝化与反硝化[10]；在对微藻影响的研究中也发现，微塑料会抑制微藻的光合作用，影响微藻的生长和脂肪酸合成[11]。现有大部分研究表明，微塑料的存在会危害水中微生物的正常生理活动。然而也有研究发现，某些微塑料会提高微生物的活性，如聚氨基甲酸酯和聚乳酸微塑料会促进细菌的硝化和反硝化作用[10]。

3 水中微塑料的去除

鉴于微塑料对水环境中的生物产生了深远影响，因此去除或者减少水环境中的微塑料是一项重要任务，现有的主要处理方法包括常规的污水处理厂去除技术和吸附、过滤等其他技术。

3.1 常规污水处理厂去除技术

在利用污水处理厂去除水中的微塑料时，主要存在物理、化学、生物处理等多个阶段。在处理初期，可通过格栅拦截较大的塑料碎片，去除其中的一部分。在化学阶段，使用的化学絮凝剂等药剂使悬浮在水中的塑料颗粒聚集成团，吸附或沉淀在污泥内，再通过泥水分离得以去除。在这一阶段，添加的一些化学药剂还可能使某些微塑料发生降解。在生物处理阶段，水中细菌、霉菌等微生物通过同化作用和异化作用可降解诸如聚酯乳聚乳酸、聚羟基脂肪酸脂等易生物降解的微塑料，而其他难降解的微塑料可通过污泥的吸附作用而被移出水体。有研究表明，经过污水处理厂中的一系列物理、化学和生物过程，污水中微塑料含量从进水的79.9个/L变为出水的28.4个/L[12]。尽管如此，仍有约40%的微塑料随处理后的出水排入水环境中，且存在于污泥中的那部分微塑料也可能随着污泥的再利用而转移到土壤，最终仍存在于环境中，影响生态系统。

3.2 微塑料的其他去除技术

对微塑料处理的研究是一个新的研究领域，除了利用污水处理厂来处理之外，其他的技术还包括吸附、过滤、光催化等。

(1)吸附。由于微塑料本身具有很强的吸附性能，所以利用同样具有吸附性能的吸附剂来去除水中的微塑料是一种切实可行的方法。在这其中，研发具有超高吸附性能的吸附剂是该技术的核心。汤爱琪[13]研究采用了一种高效易分离的磁性微生物絮凝剂对水中微塑料进行吸附去除，微塑料去除率可达90%～100%。

(2)过滤。在对水中微塑料处理时，利用过滤介质的阻截作用去除一定粒径范围的塑料颗粒，能降低水中微塑料的含量。其中，滤膜的材质和孔径为技术核心，并对过滤操作条件的优化也是该技术的重点。李经纬[14]研发的一种实用型洗衣废水微塑料去除装置，该装置包括PE棉过滤层和活性碳层，其对洗衣废水中微塑料的去除率可达80%。

(3)光催化。利用具有光效应的半导体材料，催化裂解塑料材料的C—C和偶联，将其转化为碳化燃料，能实现对塑料制品的完全降解。JIAO X C等[15]研究出的Nb2O5光催化材料只需40 h即可将聚乙烯光催化降解为CO2，且转化效率高达100%。若合理设计并使用光催化剂，有望在自然环境下将微塑料高效转化为多碳燃料，实现能源的回收利用。

4 结语

塑料的大量使用导致微塑料已广泛存在于地球的各个角落。基于目前已被证实的微塑料对生态系统的毒害效应，微塑料污染问题已引起各国重视。在已有的微塑料研究成果的基础上，本文以微塑料对水环境的影响为要点，综述了微塑料进入水环境的方式及迁移转化途径，分析了其对水环境中各种生物的影响，并初步探讨了对水中微塑料可行的处理技术。

由于微塑料进入大众视野的时间不长，研究还存在许多空白，包括微塑料的毒性、有效去除等。基于此，对于该领域的研究可从以下几个方面进行：

(1)开发具有易生物降解的塑料制品或替代品，并严格控制难降解塑料制品的生产使用，从源头上控制微塑料进入环境。

(2)对已进入环境中的微塑料需详细研究其对生态系统中各种生物的影响，阐明微塑料的毒性作用机制。

(3)研究微塑料在不同生态系统中的迁移方式，分析其转化路径。

(4)研发高效的微塑料处理技术和设备是应对微塑料危害的重要途径，也是末端治理的一种重要手段。