生物和非生物因素对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响研究

向 黎,杨 杰,涂 晨,张道勇,骆永明①

1.浙江工业大学环境学院环境生态与工程研究所,浙江杭州 310014;2.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;3.中国科学院大学,北京 100049〕

塑料因其具有使用便捷、耐腐蚀和多用途等优点而被广泛应用于人类生产生活中。据统计,全球塑料年产量已经从1950年的1.7亿t增至2021年的3.9亿t,同时也造成了塑料垃圾不断增多[1]。然而,目前塑料垃圾回收率不到10%,大部分塑料垃圾被填埋或随意丢弃而进入环境[2]。在机械磨损和生物降解等作用下,环境中塑料逐渐风化破碎成微塑料[3]。微塑料是指粒径小于5 mm的塑料类污染物,其形态主要有碎片、纤维、颗粒、发泡和薄膜等[4]。微塑料作为一种新污染物所造成的环境污染问题已经受到广泛关注。陆地是塑料生产的源头,同时也是微塑料重要的汇集区[5],每年进入土壤中的微塑料可能是海洋的4～23倍[6]。微塑料在全球土壤中普遍存在,特别是人为活动频繁的农田土壤[7]。农田土壤中微塑料的主要来源包括农膜使用、污水灌溉、污泥和有机肥施用等,常见的聚合物类型包括聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚氯乙烯(polyvinylchloride,PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)和聚苯乙烯(polystyrene,PS)等[8]。长期积累在土壤中的微塑料会对土壤及其中的动物、植物和微生物产生不利影响[9]。因此,农田土壤中微塑料污染问题应得到重视。

进入土壤中的微塑料会受到土壤动物扰动和植物根系作用而发生水平和垂向迁移。研究土壤中微塑料的迁移行为不仅有助于揭示其环境归趋,而且对评估预测微塑料在土壤中的生态风险具有重要意义。作为土壤模式动物之一,蚯蚓常被用于研究生物扰动下土壤中微塑料的迁移。HUERTA-LWANGA等[10]的研究结果显示,土壤中PE微塑料会随着蚯蚓的运动而迁移至其洞穴中,而在蚯蚓的排泄物中也发现PE微塑料颗粒(尺寸小于150 μm),这表明蚯蚓可以吞食PE微塑料[11]。蚯蚓主要通过两个途径使土壤中微塑料发生迁移:(1)微塑料颗粒附着在蚯蚓表面并随着蚯蚓的行为(挖洞等)而被迁移;(2)蚯蚓摄入微塑料并通过蚯蚓活动和排泄而被迁移[12]。不同植物的根系也会影响土壤中微塑料的迁移。LI等[13]研究发现,与玉米粗根相比,黑麦草细根使微塑料更易于保留在植物根际。另一方面,微塑料在土壤中的迁移也受到微塑料类型、土壤性质和暴露条件等非生物因素的影响。REN等[14]通过柱试验发现,砂质土壤中微塑料的垂向迁移量高于黏壤土,这是由于黏壤土富含铁矿物,带正电荷的铁使微塑料与土壤之间的静电吸引作用增强而较难发生迁移。农田土壤是一个复杂的生态系统,目前仅有的模拟真实土壤中微塑料迁移的研究只关注单一生物扰动(动物运动或植物根系)对土壤中不同尺寸、形状微塑料迁移的影响[15],对于生物和非生物因素是否影响蚯蚓驱动土壤中微塑料迁移行为的认识非常有限。

鉴于此,笔者以PS等微塑料和蚯蚓为主要研究对象,采用中宇宙试验装置模拟农田土壤中微塑料的垂向迁移,探究生物因素(跳虫、蚯蚓密度、玉米根系)和非生物因素(微塑料的类型和老化、暴露时间、淹水)对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响,旨在为认识农田土壤中微塑料的迁移规律提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自山西省大同市(39°58′ N,113°25′ E)农田表层土壤,属粉砂壤土。土壤经室温风干后过2 mm孔径筛备用。土壤pH为8.39,有机质含量为21.63 g·kg-1,全氮含量为1.09 g·kg-1,全磷含量为0.79 g·kg-1。土壤的颗粒组成:黏粒(<2 μm)质量分数w为16.69%,粉粒(2～50 μm)w为55.67%,砂粒(>50～20 000 μm)w为 27.64%。

供试w为30% H2O2溶液购自国药集团化学试剂有限公司(上海),氯化钠(NaCl)购自鲁盐集团有限公司(山东),无水碘化钠(NaI)购自奥普升化工有限公司(天津)。

供试蚯蚓为赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida),购自三百亩蚯蚓生态养殖园(云南)。试验前,将所购蚯蚓于清洁土壤中预培养,选择体态健康、环带发育完全的成年蚯蚓(平均体重约为400 mg)用于试验。供试跳虫为白符跳(Folsomiacandida),由中国科学院南京土壤研究所提供,体长为1～1.5 mm。供试玉米(Zeamays)种子购自河南云秋种业有限公司,品种为郑单958。

供试微塑料为PS、老化PS、PE和PET,均为不规则颗粒。其中,PS微塑料颗粒购自上海阳励机电科技有限公司,老化PS由PS在紫外光波长为340 nm、辐[射]照度为1 W·m-2、温度为50 ℃的紫外老化箱(ZH-XUV-115,东莞市正航仪器设备有限公司,中国)内老化20 d后制得。PE塑料购自莱州市永茂塑料厂,PET塑料来源于生活中所用塑料瓶。PE和PET塑料经液氮冷冻后用粉碎机破碎,通过筛网筛分制得微塑料。

1.2 微塑料性质测定

供试微塑料采用冷场发射扫描电子显微镜(S-4800,Hitachi,日本)观察微塑料表面形貌,并用Image J软件测量粒径;采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet-iS5,Thermo,美国)对微塑料进行表征,分辨率为4.0 cm-1,扫描次数为32次,波长范围为650～4 000 cm-1;采用纳米电位粒度仪(ZS90,Malvern,英国)测定微塑料Zeta电位。微塑料基本性质见表1。

表1 不同类型微塑料的基本性质

1.3 试验设计

试验添加的微塑料质量分数为1%,具体试验设计见表2,共设置15个处理。依据不同处理,分别在中宇宙(20 cm×3 cm×30 cm,图1)试验装置中进行14(短期)和28 d(长期)的试验。淹水处理需在试验7和13 d时进行,具体淹水方式:加去离子水至淹没土壤表面约3 cm,淹水2 h后,去离子水退去。

表2 试验处理设置

暴露条件:昼夜时间比设置为16 h∶8 h,温度为(28±1) ℃。暴露期间,所有装置均用锡箔纸包裹,避免光照影响蚯蚓在土壤中的活动,用土壤水分速测仪(山东方科仪器有限公司)保持土壤含水量为25%～30%,并补充损失的水分。试验结束后,将样品放入-20 ℃冰箱速冻24 h。根据HUERTA LWANGA等[11]和RILLIG等[12]研究中土壤分层方式并结合试验装置深度,将土壤分为0～5(L1)、>5～10(L2)、>10～15(L3)和>15～20 cm(L4)4层,依次沿纵向采集土样,每个处理组设置2个平行。

L1:0～5 cm;L2:>5～10 cm;L3:>10～15 cm;L4:>15～20 cm。

1.4 试验步骤

将蚯蚓放置在铺有润湿滤纸的培养皿中,用锡箔纸包裹,避光清肠2 d,其中,每隔8 h更换一次滤纸,以免蚯蚓重新摄取排泄物。玉米种子用质量分数w为10%的H2O2溶液消毒,放置在铺有滤纸并经高温灭菌的培养皿中,将培养皿放入人工气候室中育苗,待玉米生出主根后移入供试土壤中。微塑料添加到土壤中的方式有2种:(1)将微塑料、少量土和蚯蚓食物均匀铺设在土壤表面,将土壤动物添加在装置中并放置于人工气候室中;(2)将微塑料、一部分试验用土、蚯蚓食物均匀混合,形成含有微塑料的5 cm表层土壤,随后将玉米幼苗和土壤动物放入装置中并放置于人工气候室中。

0表示没有;蚯蚓数量为6条;1/2 蚯蚓表示蚯蚓数量为3条;跳虫数量为150只;玉米幼苗数量为6株。处理组1、5、6,1、8,以及1、9、10分别研究跳虫、蚯蚓密度、植物根系对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响;处理组1、2、3,1、4,1、7,以及8、11分别研究微塑料类型、老化作用、暴露时间、淹水对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响。PS为聚苯乙烯,PE为聚乙烯,PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯。

1.5 土壤中微塑料的分离

采用饱和氯化钠或碘化钠溶液密度浮选分离的方法提取土壤样品中微塑料。参照LIU等[17]的方法,将烘干的土壤样品置于烧杯中,加入配制好的饱和氯化钠(浮选PS、PE和老化PS)或碘化钠(浮选PET)溶液,充分搅拌后静置,然后用蠕动泵抽滤上清液于滤膜(20 μm,Millipore,美国)上,重复3次。密度浮选分离后,用w为30% H2O2溶液将滤膜上的微塑料冲洗到烧杯中,加入w为30% H2O2溶液,然后置于60 ℃数显恒温水浴锅(常州丹瑞实验仪器设备有限公司)中消解约36 h。完全消解后,再次抽滤消解后的溶液,将滤膜烘干,在光学显微镜(SMZ25,尼康,日本)下挑除杂质,称重并记录。

1.6 测量指标及计算公式

1.6.1微塑料留存率

微塑料留存率(R)计算公式为

(1)

式(1)中,R为微塑料留存率;n为试验结束后从特定土壤层回收的微塑料质量,mg;N为试验中从土壤层(除去土壤表层)回收的微塑料总质量,mg。

1.6.2蚯蚓生长速率

清肠2 d和装置解冻后的蚯蚓用去离子水清洗并用滤纸吸去表面水分后称量,蚯蚓生长速率(G,mg·条-1·d-1)计算公式为

(2)

式(2)中,Wt为装置解冻后蚯蚓平均体重,mg;W0为清肠2 d后蚯蚓平均体重,mg;n为蚯蚓数量,条;t为暴露时间,d。

1.6.3羰基指数

羰基指数(CI,IC)通常用于粗略表征聚合物中羰基含量,也可用于衡量微塑料老化程度[18]。PS微塑料的CI计算公式[19]为

(3)

式(3)中,A1为1 715～1 735 cm-1范围内最高吸光度;A2为1 452 cm-1处吸光度。

1.7 数据统计与分析

采用Excel 2010对试验数据进行处理,所有数据均用平均值(Mean)±标准差(SD)表示。采用Origin 2022制图。

2 结果与分析

2.1 微塑料对蚯蚓生长的影响

通过分析蚯蚓生长速率变化评估微塑料暴露是否会影响蚯蚓活动,进而影响其对微塑料的垂向迁移能力。结果表明,将微塑料暴露于土壤表面后,蚯蚓生长速率均为负值(表3),说明蚯蚓体重有所降低,其生长受到了不同程度的影响。与未添加微塑料的对照组相比,添加PS和PET微塑料对蚯蚓的生长影响较大,而添加PE微塑料对蚯蚓的生长影响最小。暴露时间增加未能缓解PS微塑料对蚯蚓生长的影响,而与新鲜微塑料相比,老化PS微塑料对蚯蚓生长速率的影响显著降低。

表3 微塑料对蚯蚓生长的影响

2.2 生物因素对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响

生物因素对蚯蚓驱动土壤中PS微塑料垂向迁移的影响见图2。结果表明,仅添加跳虫时,微塑料全部留存在表层土壤(L1);与仅蚯蚓存在相比,添加跳虫后微塑料在深层土壤(L2～L4)中留存率增加22.13个百分点,微塑料在L2、L3和L4土壤层的留存率分别为33.55%、4.71%和0.80%(图2)。添加跳虫促进了蚯蚓对微塑料在土壤中的垂向迁移。随着蚯蚓密度的增加,深层土壤(L2～L4)中微塑料的垂向迁移增加。当蚯蚓密度增加1倍时,微塑料在深层土壤(L2～L4)中的留存率增加1.3倍,其中,在L2、L3和L4土壤层中的留存率分别增加7.34、1.65和0.67个百分点(图2)。此外,玉米根系的生长降低了蚯蚓对微塑料向深层土壤(L2～L4)的垂向迁移。与对照相比,玉米根系的生长对微塑料的垂向迁移无显著影响;与仅蚯蚓驱动相比,玉米根系生长条件下在L2、L3和L4土壤层中微塑料留存率分别减少10.26、2.51和0.86个百分点(图2)。

2.3 非生物因素对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响

非生物因素对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响见图3。结果表明,不同类型微塑料在土壤中的垂向迁移能力不同。41.8%的PE微塑料可垂向迁移到深层土壤(L2～L4),PE在L2、L3和L4土壤层的留存率分别为35.64%、5.38%和0.78%,在3种微塑料中PE垂向迁移到深层土壤(L2～L4)中最多;其次是PS微塑料在土壤中的垂向迁移,有16.93%的PS垂向迁移到深层土壤(L2～L4)中,在L2、L3和L4土壤层的留存率分别为13.43%、2.61%和0.89%;11.71%的PET微塑料垂向迁移到深层土壤(L2～L4),在3种微塑料中其垂向迁移到深层土壤中最少(图3)。与PS微塑料在土壤中的垂向迁移相比,老化未明显改变蚯蚓对土壤中微塑料的垂向迁移能力(图3)。微塑料在土壤表面暴露28 d后,38.31%的微塑料垂向迁移到深层土壤(L2～L4)中,在L2、L3和L4土壤层的留存率分别为27.90%、8.53%和1.88%,是暴露14 d的处理组的2～3倍(图3),表明随着暴露时间的增加,更多的PS微塑料被蚯蚓垂向迁移到深层土壤(L2～L4)中。此外,淹水使微塑料在L2、L3和L4土壤层中的留存率分别增加3.36、0.92和0.89个百分点(图3),表明淹水促进了蚯蚓将微塑料向深层土壤中的垂向迁移。

PS为聚苯乙烯,PE为聚乙烯,PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯。

3 讨论

进入田间土壤的微塑料会首先在表层土壤中积累,例如,CORRADINI等[20]报道了田间污泥的使用会导致表层土壤中微塑料含量增加。微塑料通过水分入渗和土壤动物活动沿着土壤剖面垂向迁移[21]。笔者研究结果表明,蚯蚓在土壤中的行为极大程度地促进了微塑料在土壤中的垂向迁移,随着土壤深度的增加,微塑料的垂向迁移量逐渐降低,这与YU等[22]研究结果一致。前人研究表明,跳虫(Folsomiacandida)可以将脲醛微塑料(<200 μm)附着在腿部或头部并将其水平迁移至4 cm以外的地点[23]。微塑料可通过附着在跳虫表皮,并随跳虫的活动如爬行和跳跃而被迁移,或被跳虫摄入并在排泄过程中被迁移[24]。例如,KIM等[25]研究发现,跳虫可以吞食尺寸小于66 μm的微塑料;RILLIG[26]指出跳虫会通过刮擦或咀嚼作用将塑料碎片转移进入土壤中。笔者研究结果表明,添加跳虫可促进蚯蚓垂向迁移土壤中微塑料,这可能是跳虫携带微塑料沿着蚯蚓洞穴向深层土壤中垂向迁移所致。此外,笔者研究结果还显示,增加蚯蚓密度可以增强蚯蚓在土壤中的挖洞等活动,使土壤孔隙度增大,致使深层土壤中微塑料数量在一定范围内增加,这与张晓婷[15]的研究结果相似,说明蚯蚓密度在一定范围(8.55～28.49条·m-2)内会增加微塑料在土壤中的垂向迁移;但蚯蚓数量过多(45.58条·m-2)时,会导致个体间发生竞争,生存空间减少,致使蚯蚓的活动能力或生存力降低,并可能导致蚯蚓死亡,从而降低微塑料向土壤深层的垂向迁移。

尽管目前对生物扰动下土壤中微塑料垂向迁移的研究较多,但对植物根系生长是否会影响蚯蚓驱动土壤中微塑料的垂向迁移仍然未知。笔者研究表明,植物根系的生长有利于将微塑料保留在表层土壤,从而减少蚯蚓向深层土壤中垂向迁移微塑料,其原因可能与植物根系生长以及蚯蚓的生活习性有关。在试验过程中,玉米根系主要在土壤L1层(0～5 cm)中生长(图4a、b),这主要是因为玉米根系是水平生长而非垂直生长[13],从而不利于微塑料的垂向迁移。此外,植物根际是土壤动物活动的热点区域[27],蚯蚓等土壤动物偏向于在有机质相对丰富的耕层土壤中活动,而在土壤深层的活动减少(图4b、c、d),从而减少了微塑料向更深层土壤中的垂向迁移。因此,植物根系的生长有助于降低蚯蚓驱动微塑料向深层土壤垂向迁移的风险,但会导致微塑料在表层土壤中积累。

a—暴露14 d(处理9,仅植物根系存在);b—暴露14 d(处理10,蚯蚓扰动和植物根系共同存在);c—暴露14 d(处理7,仅蚯蚓扰动存在,试验14 d时拍照);d—暴露28 d(处理7,仅蚯蚓扰动存在,试验28 d时拍照)。

除生物因素以外,微塑料的性质(尺寸、形状、密度、电荷和表面化学)和环境条件的变化也会影响微塑料在土壤中的迁移[28]。笔者研究中PE微塑料向深层土壤中垂向迁移最多,其次是PS和PET,这可能与微塑料对蚯蚓生长的影响和微塑料的Zeta电位有关。首先,笔者研究所用微塑料粒径范围为100～300 μm,此与RILLIG等[12]和YU等[22]的研究相比,笔者研究所用微塑料粒径范围更小,因此更易被蚯蚓垂向迁移,此时粒径对微塑料在土壤中垂向迁移的影响较小。其次,微塑料会影响蚯蚓在土壤中的生长和运动能力[29],不同类型微塑料对蚯蚓生长和运动能力的影响有所差异。笔者研究中,PE微塑料对蚯蚓的生长影响最小(表3),导致蚯蚓向深层土壤垂向迁移PE最多。最后,受Zeta电位的影响,不同微塑料与土壤颗粒之间产生势能的差异,影响了微塑料在土壤中的垂向迁移[30];在挖洞和觅食等活动过程中,蚯蚓体表黏液在降低土壤黏附性和摩擦阻力方面起着重要作用[31],不同类型微塑料Zeta电位的差异可能会导致蚯蚓黏液对微塑料的黏附作用不同[15],进而造成微塑料在土壤中垂向迁移行为的差别。

环境中的塑料可能通过物理化学或生物风化过程发生碎裂和降解,从而形成微塑料或纳米塑料[32]。PS微塑料长期暴露于紫外光照下,会导致C—H键裂解,形成自由基,并最终产生含氧官能团,破碎成更小的碎片[33]。这些变化可导致老化PS微塑料在土壤环境中的迁移增强[34]。笔者研究表明,与未老化PS微塑料相比,老化PS微塑料表面变得粗糙(图5a、b),但老化并未明显改变蚯蚓垂向迁移土壤中微塑料,其原因可能是笔者研究中微塑料老化时间较短,导致老化PS的羰基和羟基区域变化较小(图5c、d)。经计算,未老化和老化PS微塑料的羰基指数分别为0.19和0.24,表明PS微塑料的老化程度不明显。实际农田土壤中的微塑料需要经过长期的紫外线辐射和风化等作用才能发生破碎和裂解,笔者研究中老化时间相对较短,老化程度不明显,因此,有必要进一步研究长期老化对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响。

a—PS微塑料,b—老化PS微塑料,c—羰基区域,d—羟基区域。

暴露时间是影响蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的重要因素之一。HEINZE等[35]的研究表明:土壤中微塑料暴露7 d后,w为0.3%的聚苯乙烯纳米塑料被蚯蚓迁移到15～29 cm土层;当暴露时间增加到28 d时,w为2.9%的纳米塑料出现在该土层。笔者研究发现,与短期暴露相比,长期暴露的蚯蚓洞穴数量增加(图4c、d),此与HUERTA LWANGA等[10]的研究结果类似。因此,暴露时间的增加导致更多和更深洞穴出现,使更多的微塑料被垂向迁移到深层土壤中。淹水也是影响蚯蚓促进土壤中微塑料垂向迁移的重要因素之一。淹水模拟了降雨过程,降雨及降雨渗透影响土壤中微塑料的垂向迁移。O′CONNOR等[36]通过模拟试验证明了干湿循环次数与微塑料在土壤中的渗透深度之间存在正线性相关,并根据我国347个城市的气象信息估算微塑料100年的平均渗透深度将达到5.24 m。笔者研究表明,淹水对蚯蚓从土壤表面向更深土壤中垂向迁移微塑料有促进作用,淹水使微塑料通过土壤孔隙和蚯蚓洞穴随水势向下移动[37],微塑料垂向迁移最终可能会污染地下水[38]。

4 结论

综上所述,蚯蚓活动影响土壤中微塑料的垂向运输行为,这种影响随土壤深度的增加而降低。生物和非生物因素都能影响蚯蚓驱动土壤中微塑料的垂向迁移能力。跳虫可携带微塑料沿着蚯蚓洞穴迁移,对蚯蚓驱动土壤中微塑料的垂向迁移产生积极影响;随着蚯蚓密度的增大,深层土壤中微塑料数量在一定范围内增加;植物根系能够将微塑料保留在表层土壤,减少蚯蚓向深层土壤中垂向迁移微塑料。微塑料类型会影响其在土壤中的垂向迁移,PE微塑料垂向迁移得最多,其次是PS微塑料和PET微塑料;短期老化对微塑料表面性质影响较小,对蚯蚓驱动土壤中微塑料的垂向迁移没有明显影响;暴露时间增加导致更多和更深的蚯蚓洞穴出现,淹水可使微塑料通过土壤孔隙和蚯蚓洞穴随水势移动,促进蚯蚓垂向迁移土壤中微塑料。农田土壤中微塑料可在土壤动物扰动和植物根系作用下发生迁移,未来有必要进一步研究不同植物根系、不同农田土壤类型以及微塑料长期老化对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响,为认识农田土壤中微塑料的迁移规律提供科学依据。