不同类别粪便堆肥中微塑料赋存特征及区域差异

杨 杰,涂 晨,李瑞杰,3,冯裕栋,李连祯,骆永明①

1.中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所),江苏 南京 210008;2.中国科学院大学,北京 100049;3.中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730000;4.青岛大学环境科学与工程学院,山东 青岛 266071〕

微塑料(<5 mm)是一种新兴的环境污染物。陆地生态系统作为微塑料的重要来源地和聚集地,已逐渐受到关注[1]。长期存在于土壤中的微塑料会发生多种环境化学过程,吸附各类污染物和致病微生物、发生老化降解并进一步在土壤中迁移,最终可能通过呼吸和摄食等途径进入人体而带来潜在的健康风险[2]。目前,有机肥施用造成微塑料在土壤中积累的研究[3]还较少。

畜禽粪便经过长时间的自然发酵配合高温烘干研磨,加入相应的药剂即可制成粪便堆肥。这类有机肥料施入农田土壤中可以改善土壤质量,提高作物产量[4]。研究发现,在畜禽甚至是人的粪便中都有微塑料的存在[5-8]。然而,畜禽粪便堆肥中的微塑料污染问题仍然被公众忽视。目前,大多数国家并未禁止在有机肥料中添加塑料,如澳大利亚的有机肥标准允许堆肥中含有0.05%(质量分数,以干重计)轻塑料和0.5%(质量分数,以干重计)硬塑料[9];德国允许在有机肥中含有质量分数为0.1%的塑料[10]。而早期对有机肥中塑料的调查研究主要关注粒径大于1 mm的(微)塑料碎片[10-12],粪便堆肥中微塑料,特别是粒径<1 mm 的微塑料的污染情况鲜有报道。ZHANG等[13]调查了中国22个省份102个有机肥样品中的微塑料(0.1～5 mm)污染情况,研究发现微塑料丰度在0～2 550个·kg-1之间;但该研究调查的有机肥大多为以粪便为主的复合有机肥,其中纯粪便堆肥仅占18.6%。笔者前期研究发现,在多年的猪粪样品中检测出微塑料,且长期施用猪粪的农田土壤中存在微塑料积累情况[6]。施用粪便有机肥不可避免地将造成土壤中微塑料污染问题。当前对不同地区和类别的商品化粪便堆肥中微塑料的污染情况尚不清楚。

该研究在前期工作的基础上,选取中国不同地区和类别的粪便堆肥,包括鸡粪(ChM)、牛粪(CM)、羊粪(GM)和猪粪(PM)。分析不同类别粪便堆肥中微塑料的分布和丰度特征以及粪便堆肥的区域差异,并估算施用粪便堆肥对土壤中微塑料的贡献,以期为进一步评估粪便堆肥对农田土壤中微塑料的贡献提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品收集

共收集12种畜禽粪便堆肥,粪便种类包括ChM、CM、GM和PM,分别来自广东(GD,广州)、河南(HN,商丘)、河北(HB,石家庄)和山东(SD,枣庄和临沂)4个省份(表1)。粪便堆肥均购买自购物网站(淘宝):万亩地有机肥厂(广州)、快乐乡村农产品销售公司(石家庄)、丰满园农资公司(临沂)、山东肥沃农资有限公司(枣庄)和永城施倍得生物技术有限公司(商丘)。购买前确认粪便堆肥均经45～60 d高温自然发酵(无添加剂),并人工干燥粉碎后装袋。供试试剂均购买自国药集团化学试剂有限公司。

表1 供试畜禽粪便堆肥及其含水率

1.2 粪便堆肥中微塑料的提取

由于粪便堆肥中有机质含量较高且植物纤维和絮凝物质较多,传统的浮选分离方法无法有效的分离微塑料。在WEITHMANN等[10]的研究基础上,设计了一套粪便堆肥中微塑料的分离方法。准确称量5.0 g粪便堆肥放入玻璃瓶中振荡20 min(25 ℃,200 r·min-1),使粪便堆肥与去离子水充分混合。然后将样品缓慢倒入一组不锈钢筛网中,其孔径从上到下依次为4.75、1.00、0.5和0.053 mm。将筛子(孔径为0.053 mm)放入装有去离子水的烧杯中进行淘洗,去除细小的无机颗粒。用去离子水将筛网上的物质全部冲洗至烧杯并在低温(60 ℃)条件下烘干。室温条件下,向烧杯中加入10 mL体积分数φ=30%的H2O2和10 mL 0.05 mol·L-1FeSO4。反应结束后,将样品转移到电热板上,继续加入φ=30%的H2O2(60 ℃),直至无气泡产生。用真空泵(GM-0.33,津腾,中国)将样品过滤(滤膜用孔径为20 μm的尼龙膜,Millipore,美国)。

1.3 粪便堆肥中微塑料的分析与鉴定

采用体式显微镜(S9i,Leica,德国)对滤膜上粒径范围为25 μm～5 mm的微塑料进行统计计数,大于5 mm的中塑料被排除。采用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱仪ATR-FTIR(Nicolet iS10,Thermo Fisher,美国)和傅里叶变换显微红外光谱仪μ-FTIR(Nicolet iN10,Thermo Fisher,美国)对不同形状的代表性样品进行聚合物成分分析(共检测137个样品,测定比例为20.8%)。光谱范围设定为650～4 000 cm-1,扫描32次。聚丙烯(PP)包含聚(乙烯)丙烯共聚物,聚乙烯(PE)包括低密度和高密度聚乙烯,聚酯(PES)包括聚酯纤维和聚对苯二甲酸乙二醇酯。

1.4 质量控制

实验过程中,为严格防止可能来自于外界的污染,实验所用容器均为玻璃或金属材料;使用前用去离子水清洗并烘干备用;所有容器用铝箔覆盖,实验人员穿着防尘服。对不同肥料设置3次重复试验。试验设置6组空白对照组,空白处理中共发现6个聚酯纤维,在统计分析样品时对纤维进行扣除。

1.5 数据处理与分析

所有检出的微塑料都按颜色、粒径、形状和聚合物种类分类,测定所有粪便堆肥的含水率(表1),并将其换算为干重(个·kg-1)。数据采用SPSS 19.0(单因素方差分析,Tukey HSD 检验,P<0.05)进行统计分析,英文小写字母不同表示不同类别畜禽粪便堆肥间某指标的差异显著性。采用Origin 2021软件制图。

2 结果与分析

2.1 粪便堆肥中微塑料的颜色和粒径分布

结果表明,所有供试粪便堆肥中均有微塑料检出,不同粪便堆肥中微塑料的颜色和粒径分布见图1。所有粪便堆肥中共发现8种颜色微塑料,以透明、黑色、红色和蓝色微塑料为主,其中透明微塑料占比(24.1%～57.7%)最大。比较不同类别和不同地区粪便堆肥发现,牛粪堆肥中透明微塑料占比(24.1%～36.7%)较少;山东粪便堆肥中透明微塑料占比(36.7%～57.7%)较多。这可能与畜禽饲料、养殖规模或堆肥环境中微塑料沉降有关[13]。ZHANG等[13]的研究也发现透明/白色微塑料是粪便堆肥中提取出的微塑料中的主要部分(75.9%)。同样在长期施肥土壤中,透明微塑料占比(72.8%)最多[6]。这些结果表明,粪便堆肥中透明微塑料对施肥土壤中透明类塑料有极其重要的贡献。颜色是微塑料形成研究中重要的但一直被忽略的因素,研究表明,微塑料颜色越浅,吸光性越弱,紫外线透过率越高,光老化率越高,越易破损[14]。未来需要更多的关注不同粪便堆肥以及农田中微塑料的颜色特征。

样品名称英文缩写含义见表1。

所有粪便堆肥中微塑料按粒径可划分为0～1、>1～2、>2～3、>3～4和>4～5 mm 5组。微塑料粒径以0～1 mm为主,占27.6%～69.5%(图1)。进一步对粒径<1 mm的微塑料(图1)进行分析发现,鸡粪和牛粪堆肥中粒径为0～0.1 mm的微塑料较少,河北、山东的鸡粪堆肥以及河南、山东的牛粪堆肥中均未发现粒径<0.1 mm的微塑料,所有的羊粪堆肥中均有<0.1 mm的微塑料(占0～1 mm微塑料量的1.3%～15.2%),猪粪堆肥中<0.1 mm的微塑料占0～1 mm微塑料量的0%～16.2%。鸡粪堆肥中<0.1 mm微塑料较少可能是由于相比于另外3种哺乳动物,鸡的肠道较短,微塑料在消化道内停留时间较短,微塑料未得到充分消化而使排出的粪便中粒径<0.1 mm的微塑料较少。牛粪堆肥中<0.1 mm微塑料较少,可能与牛的食物源有关。在地区上也有差异,河南所有供试粪便堆肥(猪粪和牛粪)中未发现<0.1 mm的微塑料,而<0.1 mm的微塑料存在于广东所有供试粪便堆肥(鸡粪、牛粪和羊粪)中。地区和畜禽种类是造成畜禽粪便堆肥中微塑料粒径差异的重要原因。RAMACHANDRAIAH等[15]指出,饲养过程中空气、水和饲料都会有微塑料暴露风险。空气中微塑料的沉降和饲料中微塑料的不同可能导致畜禽摄入或吸入不同量的微塑料。以空气为例,有研究表明,空气中微塑料的粒径特征表现出地区差异;城市空气中>100 μm的微塑料比例高于郊区,天津空气中30～100 μm的微塑料比例大于北京、上海、南京和杭州[16]。粒径是影响微塑料在环境中的去向的重要因素[15]。通常认为粒径<1 mm的微塑料会被土壤中的动物吞食且更易于向地下迁移而造成生态风险[17-18]。CHEN等[19]发现<0.1 mm的PE微塑料被蚯蚓选择性摄食且其体内可能存在PE降解菌而使微塑料降解为粒径更小的微塑料。因此,需特别关注施入土壤的粪便堆肥中粒径<1 mm和<0.1 mm的微塑料。未来对粪便堆肥中微塑料的研究需结合饲料、畜禽特征和畜禽生活环境等因素综合分析。

2.2 粪便堆肥中微塑料的形状和成分分布

畜禽粪便堆肥中共发现纤维、碎片、薄膜和颗粒(不规则细粒)4种形状微塑料。纤维和碎片是粪便堆肥中主要的微塑料形状(74.6%～100%)(图2)。比较不同类别粪便堆肥发现,鸡粪堆肥中薄膜占全部微塑料的比例相对较大(4.8%～11.6%);牛粪、猪粪堆肥中薄膜微塑料较少(0%～3.3%、0%～2.6%);在羊粪堆肥中不规则塑料细颗粒较多(2.2%～10.4%),鸡粪堆肥中均未发现这类不规则细颗粒。从区域上分析,河南粪便堆肥(牛粪、猪粪)中薄膜(0%～0.7%)和颗粒(0%～0.5%)较少;河北粪便堆肥中薄膜和颗粒较多,尤其是羊粪堆肥(15.0%和10.4%)。微塑料形状可以反映其可能的来源,纤维和碎片是最常见的微塑料形状,广泛存在于粪肥和施粪肥的土壤中[6,20]。另一项研究在调查猪粪和牛粪及其制成的肥料中的微塑料时也发现纤维比例远大于其他形状微塑料[21]。粪便堆肥中的纤维类微塑料可能来源于畜禽摄食过程中摄入(微)塑料后排泄出的粪便,也可能来源于堆肥过程中微塑料在空气中的沉降。由于纺织工业的快速发展,纤维普遍存在于各类环境介质中,包括水、底泥、污泥和土壤[22];纤维也是空气中微塑料的主要组成部分[23-24]。碎片类微塑料的主要来源则可能是饲养过程中的塑料包装和容器发生破损进入饲料[10];薄膜类微塑料可能来源于畜禽养殖中暴露的农业薄膜进入饲料或堆肥中[13]。而不规则的细小颗粒可能来源于畜禽饲养中暴露的(微)塑料的次生破碎。

样品名称英文缩写含义见表1。

FTIR和μ-FTIR鉴定结果表明,供试粪便堆肥中共含有聚酯(PES)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)和人造丝(RY)7种聚合物成分的微塑料,典型微塑料样貌见图3。其中,PES、PP和PE是粪便堆肥中微塑料的主要成分(87.8%～97.0%)(图2)。

A—黑色聚酯(PES)纤维;B—绿色聚丙烯(PP)碎片;C—透明聚乙烯(PE)薄膜;D—红色聚丙烯腈(PAN)纤维;E—红色聚酰胺(PA)颗粒;F—白色聚苯乙烯(PS)碎片;G—蓝色人造丝(RY)纤维。

所有的鸡粪堆肥中都含有PS(1.2%～4.3%)。PAN和RY存在于大部分粪便堆肥中(0.5%～5.9%和2.6%～6.9%;河北的猪粪堆肥中未检出PAN,河南的牛粪中未检出RY)。PA仅在河北的羊粪堆肥(2.6%)和山东的猪粪堆肥(8.7%)中检出。PES、PE和PP微塑料是粪便中最常见的微塑料类型[25]。在猪粪和猪大肠中也检测出PES、PE、PP、PA和PS微塑料[26]。WEITHMANN等[10]调查了德国堆肥厂中堆肥的微塑料(粒径为1～5 mm)后发现有PES、PE和PP的存在。这些材料的塑料制品被广泛应用于农用品和塑料包装材料(PES、PE和PP)以及纺织品(PES)[1,27-28]。PS具有绝缘性能,广泛用于日常的包装材料[29];PAN和RY纤维普遍用于纺织品并且存在于空气中[30-33]。PA具有耐磨、弹性好等优点,在日常农、渔业生活中常被作为绳索使用[34];PA也被广泛应用于包装、电子、汽车和建筑等行业[35]。畜禽粪便堆肥中聚合物成分的差异表明粪便堆肥中微塑料受到饲料以及畜禽饲养和堆肥环境的复杂影响。未来需加强畜禽粪便中微塑料的溯源工作以确定其来源。

2.3 粪便堆肥中微塑料丰度

12种粪便堆肥中微塑料丰度为(2 054.8±493.9)～(9 131.0±600.7)个·kg-1(图4A),平均丰度为(4 275.2±2 524.1)个·kg-1。河南猪粪堆肥中微塑料丰度最高,而该地区牛粪堆肥中微塑料丰度最低,差异显著(P<0.05);河北羊粪堆肥中微塑料丰度也显著高于同地区猪粪堆肥(P<0.05)。鸡粪堆肥中微塑料丰度较为均一〔不同地区:(3 631.9±2 388.1)～(3 683.7±2 882.1)个·kg-1〕,而猪粪堆肥中微塑料的地区差异较明显〔河北猪粪堆肥中微塑料丰度仅为(2 458.7±1 159.9)个·kg-1;河南猪粪堆肥中微塑料丰度高达(9 131.0±600.7)个·kg-1〕。如果按类别将粪便堆肥中微塑料进行划分,牛粪堆肥和鸡粪堆肥中微塑料丰度较低(图4B)。此前的研究也发现,牛粪含有的微塑料比猪粪少,推测可能由于微塑料在反刍动物体内因消化过程较长而被完全消化[13,20]。在比较粪便堆肥中微塑料时,应综合考虑多种因素的影响,包括畜禽类别和地区因素。不同类别畜禽可能因饲料、摄食量、胃肠道消化时间和排便量等不同而造成粪便中微塑料丰度存在差异;不同地区由于饲养或者堆肥过程中,环境暴露的微塑料丰度不同也会造成堆肥中微塑料丰度差异。BERIOT等[7]发现在西班牙Murcia地区的蔬菜农场中羊粪微塑料丰度为(0.997±0.971)个·g-1;华正罡等[26]发现辽宁沈阳某农村中猪粪微塑料丰度达到112个·g-1,LWANGA等[5]发现墨西哥Campeche地区农村鸡粪中微塑料丰度高达(129.8±82.3)个·g-1。携带有微塑料的粪便堆肥作为重要的土壤调理剂,是农田土壤微塑料的重要来源。而土壤中微塑料的长期积累会对土壤中的动物、植物、微生物及土壤质量产生影响[36]。目前,关于粪便堆肥中微塑料的数据仍然缺乏,对粪便堆肥在生产全过程中微塑料的积累研究十分必要。

样品名称英文缩写含义见表1。左分图中,柱子上方英文小写字母不同表示不同样品间微塑料丰度差异显著(P<0.05)。

畜禽粪便是重要的有机肥来源,当前中国畜禽粪污年产生量约为38亿t,其中,畜禽粪便约为18亿t[37]。据统计,被用于制作有机肥的粪便占畜禽粪便总量的比例仅为7.12%[38]。畜禽粪便中水分含量较高,含水率一般为72%～85%[39]。以80%的含水率估算,我国每年产生的粪便堆肥量约为2.6×107t。如果不考虑粪便类别和添加物,将这些粪便堆肥都施入土壤中,通过粪便堆肥中微塑料的平均丰度估算,每年对土壤中微塑料的贡献量高达1.1×1014个。笔者研究中<1 mm的微塑料和<0.1 mm的微塑料数量分别占提取出的全部微塑料的44.3%和2.6%。如果以此来计算,每年进入土壤中的<1 mm微塑料和<0.1 mm微塑料贡献量分别达4.9×1013和2.9×1012个。这些微塑料如果进一步风化降解成粒径更小的微/纳米级塑料将会增加生态环境风险。

3 结论

该研究调查了不同地区及类别畜禽粪便堆肥中微塑料的污染状况。结果表明,供试粪便堆肥中均检出微塑料,透明、纤维状和粒径<1 mm的微塑料占大多数。不同类别粪便堆肥中微塑料丰度差异较大,平均丰度为(4 275.2±2 524.1)个·kg-1。微塑料赋存特征在畜禽种类和区域间存在差异,可能与受到饲料、饲养和堆肥环境等多种因素的影响有关。由于可能具有更高的生态风险,未来需要更多地关注畜禽堆肥中粒径<1 mm和<0.1 mm的微塑料。农田施用粪便堆肥会导致微塑料污染而影响土壤环境质量和健康质量,必须重视和防范堆肥中微塑料污染及其可能给农田带来的风险。该研究为粪便堆肥中微塑料污染的后续研究提供了参考,建议未来应加强畜禽饲料和粪便堆肥中微塑料污染规律与减塑技术的研究,以有效监管和削减农田土壤中的微塑料。