聚乙烯的生态影响及其生物降解

王佩瑶,曹萌萌,桑成琛,栗婷轩,朱利霞

(周口师范学院 生命科学与农学学院,河南 周口 466001)

“塑料”泛指高分子量聚合物,但目前人们广泛使用的塑料,如食品和饮料包装、服装纤维和建筑行业的材料,仅限于少数几种类型。其中,简单烷基链聚合物聚乙烯的应用范围最广。按照分支程度、分子填充程度以及整体结晶度和材料密度等的不同,聚乙烯可分为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯。聚乙烯由于其经济方便和稳定性好,被广泛用于生产和生活的方方面面,在农业生产中,聚乙烯被制成地膜用于改善土壤水热状况、增加作物产量,但同时也带来了严重的“白色污染”。随着时间的推移,聚乙烯会在生物和非生物因素的综合作用下破碎成微小的颗粒(微塑料)。由于微塑料粒径小,易被土壤动物摄食影响其生命活动,同时微塑料能够吸附有机物、重金属等污染物,增加生态风险。因此,本文总结了聚乙烯的生态影响与环境风险,阐述了聚乙烯塑料生物降解过程及参与其中的微生物,并对未来的研究方向进行了展望,以期为聚乙烯的高效生物降解提供一定的科学参考和技术支撑。

1 聚乙烯的生态影响与环境风险

1.1 聚乙烯对土壤理化性质的影响

废弃聚乙烯是环境中毒素的主要来源,也是导致生态环境破坏的关键因素[1]。2018年,全球生产了约2.5亿t塑料垃圾,其中近70%的垃圾被回收、填埋和再利用,而剩余的30%被直接释放到环境中[2],影响自然环境中的生态过程。聚乙烯进入土壤后逐渐裂解为微塑料,比表面积、含氧官能团数量增加、亲水性也明显增加,对土壤中的极性组分有更强的吸附能力,从而改变土壤的化学性质[3]。聚乙烯微塑料容易在土壤基质中进行纵向和横向迁移而广泛分布于土壤中。微塑料作为一种富含碳的外源有机物质,会增加土壤有机碳含量、改变土壤有机碳矿化进程,进而影响土壤的碳素周转过程[4]。此外,有研究表明,微塑料会降低土壤容重、改变土壤结构和土壤水分动态[5]。聚乙烯微塑料进入土壤后,主要通过影响土壤水分运移状况改变土壤持水性。当向土壤中加入1%粒径2 mm的聚乙烯碎片,土壤水分蒸发速率明显增加,加剧土壤水分亏缺;且小粒径聚乙烯对蒸发率的影响更为明显[6]。胡旭凯等[7]研究表明,添加聚乙烯微塑料初期土壤水稳定性团聚含量增加,团聚体稳定性明显增加;然而大粒径聚乙烯微塑料处理后土壤表面出现明显的干燥开裂,这可能是由于聚乙烯的加入导致土壤的结构被破坏[6]。此外,向土壤中加入可生物降解聚乳酸、高密度聚乙烯和微塑料合成纤维等不同类型的微塑料,土壤水稳性团聚体粒径分布发生明显改变,从而改变土壤的抗侵蚀能力[8]。

1.2 聚乙烯对土壤生物的影响

微塑料进入土壤后一方面可以改变土壤的理化性质进而影响微生物的生境,另一方面微塑料可作为微生物的载体,其中的增塑剂也会影响微生物的生长[9-10]。聚乙烯的加入可以显著提高土壤脲酶和过氧化酶活性,降低土壤微生物的多样性指数,但对土壤微生物的α多样性无明显影响[11]。5%的聚乙烯可以明显增加土壤放线菌的数量,这表明聚乙烯对土壤微生物的影响有一定的选择性[12]。有研究表明,1%和5%低密度聚乙烯明显降低土壤细菌丰度和多样性,增加β变形菌数量尤其是与土壤固氮相联系的伯克氏菌科微生物,由此,聚乙烯会改变土壤氮素周转过程[13]。

土壤动物作为土壤生态环境的重要组成部分,对改善土壤结构有重要作用,同时会影响土壤微生物的活性。高浓度聚乙烯微塑料降低蚯蚓生长速率[14],当聚乙烯微塑料浓度大于1 g·kg-1时,蚯蚓表面出现损伤并表现出神经毒性反应[15];当聚乙烯浓度为20%时,蚯蚓体内过氧化氢酶活性增加,而超氧化物歧化酶活性降低[6];当聚乙烯微塑料的浓度达到阈值后,蚯蚓的生长速度和死亡明显受到影响,证实了高浓度的聚乙烯微塑料对蚯蚓的消极作用。聚乙烯也会影响跳虫的生长和繁殖,当聚乙烯浓度达到1%时,跳虫的生殖率降至30%左右[16]。此外,由于聚乙烯微塑料具有一定的吸附性,可以吸附土壤中的有机物、重金属等有毒有害物质,而聚乙烯微塑料的载体效应也可能导致土壤动物的生命活动受到制约和威胁。然而,有研究表明土壤动物可以摄入聚乙烯等微塑料,有利于减少土壤中聚乙烯微塑料的积累。Huerta 等[17]研究发现向砂壤土接种取自蚯蚓肠道的细菌21 d后,土壤中低密度聚乙烯微塑料的粒径和含量明显降低,这可能发生了生物降解。然而,截至目前尚未有关于蚯蚓肠道生物降解聚乙烯的报道。

1.3 聚乙烯对植物的影响

微塑料可以改变土壤理化性质和土壤生物活性,进而对植物的生长产生影响。一般而言,聚乙烯微塑料会对植物产生毒性导致植物的生长和种子的萌发受到影响。微塑料一般会吸附到植物种子的表皮和根系表面,干扰植物对土壤中水分和养分的吸收和转运,影响植物的正常生长。Qi等[18]研究发现,1%的低密度聚乙烯(6.9 mm×6.1 mm)明显降低小麦的生物量、结实率和根冠比,而生物量和根茎长度是衡量聚乙烯毒性的重要指标,这表明聚乙烯对小麦生长表现出较强的毒性。聚乙烯粒径的不同对不同植物的生长影响可能会有所差异。10,50和100 mg/L的微米级聚乙烯塑料均明显抑制蚕豆生长,而仅有100 mg/L的纳米级聚乙烯可以抑制蚕豆生长,其中纳米级的聚乙烯对蚕豆的毒性较微米级更大[19]。在沙培条件下,粒径为0.106～0.15 mm的高密度聚乙烯对绿豆生长无抑制作用,而粒径为0.023～0.038 mm时明显抑制绿豆生长[20]。Wang等[21]用不同粒径(6.5和13 μm)和浓度(0,10,50,100,200和500 mg/L)的聚乙烯微塑料颗粒处理大豆和绿豆,研究其对大豆和绿豆萌发的影响,结果发现不同浓度的聚乙烯微塑料对大豆干重均有抑制作用,且随着浓度的增加抑制作用逐渐减弱。13 μm粒径的聚乙烯微塑料抑制大豆根的伸长生长且抑制作用与浓度呈正相关,而促进绿豆根的伸长生长且促进程度与浓度呈正相关。

聚乙烯的降解是一个长期的过程,从现有研究来看,目前关于农田土壤中聚乙烯微塑料对土壤和植物的影响研究主要集中在实验室内,对于自然状况下聚乙烯的影响研究比较缺乏,因此,需要对不同条件下聚乙烯的降解过程进行安全评价,以评估其潜在的生态风险和环境影响。

2 聚乙烯的生物降解

2.1 聚乙烯的生物降解过程

聚乙烯塑料有两种类型的降解,一种是由温度、紫外线等环境因素导致的非生物降解,另一种是由微生物作用引起的生物降解。微生物降解聚乙烯的过程是由微生物分泌降解酶,最终将聚乙烯水解成可二氧化碳和水的过程。该过程大致分为四个阶段:(1)微生物分泌胞外黏性物质吸附在聚乙烯表面,形成生物膜;(2)微生物分泌水解酶使聚乙烯长链断裂形成小分子烃链;(3)小分子烃链转化为脂肪酸等中间产物;(4)脂肪酸等在微生物作用下分解成二氧化碳和水[22]。总体而言,聚乙烯的生物降解过程主要包括氧化式生物降解和水合式生物降解这两种机制。无论何种机制,都是先进行化学分解再进行生物降解,最终产生二氧化碳和水,完成整个降解过程,其中水合式生物降解过程中还有甲烷产生[23]。

2.2 参与聚乙烯降解的微生物

自上世纪70年代以来,研究者已经观察到多种微生物降解聚乙烯的现象并从陆地、海洋、动物肠道等不同生境中分离出能够降解聚乙烯的微生物。细菌是自然界中数量最多的微生物,具有不同的功能。Devi等[24]从垃圾堆置点分离出140个对聚乙烯有降解能力的细菌菌株,其中芽孢杆菌属和假单胞菌属对聚乙烯的降解效果最好。除细菌之外,研究者也发现真菌可以降解聚乙烯材料,真菌又以霉菌为主。由于真菌的代谢产物丰富、产生的酶种类丰富、酶活性高,且真菌独有的菌丝使其具有较强的穿透能力,因此真菌的降解性能明显优于细菌和放线菌[25]。拟青霉、葡萄穗霉属、黑曲霉、木霉属、镰刀菌属、烟曲霉菌、土曲霉等均可以有效降解经紫外线处理的线性低密度聚乙烯材料[26-27]。能够被真菌降解的聚乙烯数均分子量多介于几百到几万,将重均分子量400 000的聚乙烯粉末暴露在自然环境中7 d后,李夏等[28]分离出一株能利用该聚乙烯粉末的桔青霉,且桔青霉对传统聚乙烯地膜有较好的降解能力。目前,微生物尚不能在较短时间内高效降解未经处理的聚乙烯塑料[29]。因此,在微生物降解前需要对聚乙烯塑料进行光、热、化学氧化等前处理以加速其降解进程,光处理则是提高微生物降解塑料的有效方法[30]。

在聚乙烯微生物降解研究中,研究者们均致力于筛选高效塑料降解菌,但是单一菌株在降解聚乙烯的过程中产生的中间产物或最终产物积累可能具有更高的潜在毒性,从而使单菌株的降解在后期受到抑制。因此,利用多株菌的混合体系构建一个稳定的微生物混菌体系能够消除毒性代谢物对单一降解菌的影响,从而实现聚乙烯的高效降解。Han等[31]研究发现,栉杆菌(Arthrobactersp.)和链霉菌(Streptomycessp.)均能独自降解聚乙烯薄膜;但将菌株接种到含有聚乙烯薄膜的溶液中发现,栉杆菌在溶液介质中生长,链霉菌则粘附在聚乙烯薄膜表面,这两种不同的代谢方式为微生物联合降解聚乙烯提供新的可能。Esmaeili等人[32]发现混合培养赖氨酸芽孢杆菌和黑曲霉菌时,其对于聚乙烯的降解效果大于单独菌株的降解效果;芽孢杆菌和红球菌已被证实对聚乙烯具有良好的降解效果,Auta等人[33]发现,芽孢杆菌和红球菌的混合菌群对聚乙烯的降解效果明显优于单菌株。由4种芽孢杆菌菌株组成的混菌体系在140 d内可降解58.2%和46.6%的低密度聚乙烯和高密度聚乙烯,而单菌株仅可降解20%左右的聚乙烯[34]。这为聚乙烯的高效降解提供了新的思路。然而关于混菌降解聚乙烯的研究仍然较少,且取得的降解效果不显著,因而在聚乙烯地膜的混合菌群降解方面仍需探究。

3 结论

农业生产中对聚乙烯地膜有较大的需求和依赖,由于对地膜的回收比较困难导致大量残膜在土壤中累积。聚乙烯在自然条件下难以降解的现状导致土壤理化性质改变,影响土壤微生物和土壤动物活性并进而对植物的生长发育产生毒性,最终可能导致土壤生态系统的失衡。由此,聚乙烯微塑料产生的生态影响和导致的环境风险已被广泛关注。为了降低聚乙烯的危害,当前已经采用了多种方法处理聚乙烯,其中生物降解具有无污染、效率高的特点。目前研究者已经分离出多种能够降解聚乙烯的微生物,细菌和真菌等能够以聚乙烯为唯一碳源,并将其最终转化为二氧化碳和水,实现聚乙烯的生物降解。然而基于当前的研究,关于聚乙烯的生物降解可以从以下几方面入手:

(1)进一步开展微生物降解聚乙烯的机制研究,尤其是混合菌株如何降解聚乙烯,探索高效降解聚乙烯的菌株,提高聚乙烯的降解效率。

(2)加强聚乙烯经过微生物降解后产生的微塑料的研究,综合不同因素充分考量微塑料对农田土壤和植物的综合影响,全面评估微塑料对土壤生态系统的影响和生态风险。

(3)开发能够替代聚乙烯的生物降解产品,推广使用可降解塑料地膜,降低聚乙烯的使用量,实现绿色可持续发展。