微塑料对农田土壤理化性质、土壤微生物群落结构与功能的影响

韦 婧,涂 晨,杨 杰,刘 颖,黄硕霈,卜元卿,骆永明

1.生态环境部南京环境科学研究所国家环境保护土壤环境管理与污染控制重点实验室,江苏 南京 210042;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.湖南师范大学地理科学学院,湖南 长沙 410081;4.生态环境部南京环境科学研究所国家环境保护农药环境评价与污染控制重点实验室,江苏 南京 210042〕

微塑料是指粒径小于5 mm的塑料类污染物,包括作为原料用于工业制造或化妆品生产的初生微塑料,以及经高温、光照、磨损等环境作用和生物降解作用分裂而成的次生微塑料[1]。作为全球性的环境问题,海洋环境中微塑料的来源、赋存特征、环境行为及生态效应已受到普遍关注[2]。2020年,德国学者RILLIG等[3]在《Science》期刊上发表观点文章指出,未来要更加重视微塑料在陆地生态系统中的生态效应与系统反馈研究。已有报道表明,土壤环境中的微塑料丰度可能是海洋的4～23倍,其来源包括塑料农膜的使用、污泥和有机肥的长期施用、大气微塑料的沉降以及地表径流和污水灌溉等途径[4-5]。据估算,欧洲和北美地区每年约有6.3万～43万和4.4万～30万t微塑料输入到农田土壤中[6]。土壤中微塑料丰度的变异性较大,这与土地利用类型及微塑料的分离、检测方法等有关。LIU等[7]报道了上海城郊菜地土壤中微塑料平均丰度约为78个·kg-1,成分以聚丙烯(polypropylene, PP)和聚乙烯(polyethylene, PE)为主。费禹凡等[8]对杭州湾设施农业区的调查表明,表层土壤中微塑料丰度最高可达1 560个·kg-1,PE薄膜微塑料普遍存在。农膜(包括棚膜和地膜)的使用是土壤中微塑料的重要来源之一,残留在土壤中的农膜在光照、机械扰动、土壤动植物及微生物等的共同作用下更易破碎、分解形成微塑料,进而对土壤生态系统造成潜在的环境与生态风险[9-10]。研究表明,微塑料能够改变土壤理化性质,影响土壤养分循环和污染物归趋,影响土壤微生物生物量及群落结构与功能[11-16]。根际土壤中的微塑料不仅可影响植物根系生长[17-18],还可被高等植物根部吸收和富集,并积累和分布在可食部位中[19-20]。土壤中的微塑料还可对线虫、跳虫、蚯蚓和蜗牛等无脊椎动物的个体生长、繁殖、摄食以及肠道菌群等产生影响,并可通过食物链发生传递、富集,带来健康风险[21-24]。

微生物是土壤生态系统中的分解者,在促进有机质分解、推动土壤生态系统生物地球化学循环等过程中起着重要作用。土壤微生物的群落结构和功能多样性是评价土壤生态系统功能和土壤健康的重要指标[25]。微塑料进入土壤之后,会直接或者间接地改变土壤微生物生物量、群落结构与多样性,进而影响与土壤碳循环、氮循环、抗性基因表达和迁移等土壤生物地球化学过程有关的微生物群落功能(图1)[26]。

图1 微塑料对土壤污染物吸附、土壤微生物生物量以及微生物群落结构与功能的影响

尽管当前已有文献对土壤中微塑料的污染特征、来源、表面变化、生物膜形成、植物和土壤动物毒性效应等方面进行了归纳和综述[27-30],但有关微塑料对土壤微生物生态效应与功能影响方面的研究和综述仍非常有限[31]。笔者在梳理最新国内外研究进展的基础上,系统综述了微塑料对土壤理化性质、污染物相互作用的影响,重点关注微塑料对土壤微生物生物量、微生物群落结构和功能的影响,并提出了未来的重点研究方向,旨在为开展土壤微塑料与微生物的相互作用研究提供参考。

1 微塑料对土壤理化性质和污染物相互作用的影响

1.1 微塑料对土壤理化性质的影响

微塑料对土壤物理性质的影响主要集中在土壤团聚体组成结构、土壤容重、土壤孔隙度、渗透性和持水能力等方面[32-33]。团聚体是土壤结构的物质基础,土壤团聚体的稳定性显著影响土壤孔隙度、渗透性和土壤水肥气热的调节功能[34]。随着微塑料在土壤中的不断累积,部分微塑料可不同程度地嵌入到土壤团聚体中,影响土壤团聚体的结构组成和稳定性,进而引起土壤容重、渗透性、孔隙度以及持水能力等理化性质的改变。微塑料对土壤团聚体水稳性的影响不仅与微塑料的类型、浓度、形状和粒径等因素有关,还与土壤性质有关。如,DE SOUZA MACHADO等[9]研究表明,土壤容重和水稳定性团聚体含量随着土壤中聚酯纤维(polyester fibre, PES)浓度的增加而显著降低,而聚丙烯酸(polyacrylic acid, PAA)纤维和PE碎片则未显示出类似效应;而李淑洁等[34]研究发现,PE微塑料会破坏低有机质含量〔(10.33±0.04) g·kg-1〕土壤中团聚体的稳定性,但可增强高有机质含量〔(33.92±0.14) g·kg-1〕土壤中团聚体的稳定性。此外,土壤中微塑料颗粒极易填充土壤孔隙空间,改变土壤孔隙度,从而影响土壤水分蒸发和土壤孔隙水含量[35],进而影响植物生长发育以及土壤中厌氧或好氧微生物的种类和多样性。WAN等[36]研究发现,土壤中加入不同粒径(2和5 mm)PE薄膜微塑料(质量分数w=1%)能提高土壤水分的蒸发速率,但添加2 mm粒径PE薄膜对土壤水分蒸发的影响更为严重。

土壤中微塑料会改变土壤pH值、电导率、有机质含量和阳离子交换量等化学性质和养分有效性,但不同类型和浓度微塑料对土壤化学性质的影响存在显著差异[37]。有研究表明,向土壤中添加高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)微塑料(w=0.1%)会显著降低土壤pH值,而相同浓度聚乳酸(polylactic acid, PLA)微塑料的添加则对土壤pH值无显著影响[38]。另外,有研究指出,向土壤中添加w=1% PE和PP微塑料均可显著降低土壤中有效磷含量[39]。与添加w=7% PP微塑料的土壤相比,添加w=28% PP微塑料促进了土壤可溶性有机物中高相对分子质量腐殖质类物质积累[14]。有关微塑料对土壤物理化学性质以及土壤养分有效性影响的临界浓度与具体作用机制尚缺乏深入研究。

1.2 微塑料对污染物相互作用的影响

由于塑料在加工过程中常添加增塑剂、热稳定剂、抗氧剂、光稳定剂和阻燃剂等添加剂以提高塑料产品的性能、强度和稳定性。当塑料进入土壤环境后,在物理摩擦、化学与生物转化等共同作用下发生老化与降解,在形成微塑料的同时,还可将聚合物成分中的多种添加剂释放到土壤中,造成土壤环境污染[40]。ZHANG等[41]发现,风化后的环境微塑料表面普遍存在酞酸酯类增塑剂和有机磷酸酯类阻燃剂等污染物;与PE颗粒相比,PP薄片和聚苯乙烯(polystyrene, PS)泡沫具有更高浓度的添加剂。另一方面,土壤中的微塑料因具有比表面积大、吸附位点多和疏水性强等特性,极易吸附土壤中的重金属、多环芳烃、多氯联苯、农药、抗生素和抗生素抗性基因(antibiotics resistance genes, ARGs)等多种污染物。SU等[42]研究发现PE和PP促进ARGs在垃圾填埋场渗滤液中选择性富集,微塑料的富集比例最高达1 000倍。微塑料还可以作为这些污染物的载体,与污染物形成复合污染并在土壤中进行水平或垂直迁移、转化、生物吸收与富集,从而影响土壤环境质量并引起食物链安全和人体健康风险[27]。

2 微塑料对土壤微生物生物量、群落结构与多样性的影响

2.1 微塑料对土壤微生物生物量的影响

土壤中微塑料污染可引起土壤环境的变化,进而直接或间接地影响微生物生物量,且这一过程受到微塑料的聚合物类型、浓度、形状以及土壤有机质含量等多种因素的影响[43]。WEI等[44]基于荟萃分析的结果表明,土壤微塑料显著抑制土壤动物生物量,但却显著增加土壤微生物生物量。这可能是因为微塑料进入土壤后,由于其本身可作为一种碳源被土壤微生物分解和利用,进而影响微生物数量和活性;或是通过富集土壤中有机物和微生物,强化微生物对土壤有机质的分解转化,进而提高微生物生物量。张秀玲等[45]发现,添加低浓度PP微塑料(w=0.25%,以干土重计)显著增加橘园土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon,MBC),而中浓度(w=2%,以干土重计)和高浓度(w=7%,以干土重计)微塑料处理对土壤MBC含量无显著影响。鉴于磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)是所有微生物细胞膜的主要成分,ZANG等[46]采用PLFA分析来量化土壤微生物总生物量,发现当土壤中聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)微塑料添加量分别为5%、10%和20%时,PLFA含量分别比对照土壤增加2.0、1.3和1.6倍;而PE的添加只轻微提高PLFAs含量(17%～45%),且与PE浓度无相关性。李淑洁等[34]发现,添加PE总体上提高了土壤MBC含量,且粒径为1 mm的PE对MBC的提高效应高于25 μm的微塑料;此外,微塑料的添加浓度和暴露时间,以及土壤中有机质水平都会影响土壤中MBC含量变化。

2.2 微塑料对土壤微生物群落多样性的影响

PE作为最常见的塑料类型被广泛用于微塑料对土壤微生物群落影响的研究[8,12-13,47-48]。而其他类型微塑料,特别是可降解微塑料对土壤微生物群落影响的研究也开始受到关注[49-52]。除单一微塑料污染土壤外,复合污染土壤以及植物生长的根际土壤中微塑料对土壤微生物群落影响的研究也相继开展[50-53]。微塑料会对土壤微生物群落丰度和多样性产生影响,但受微塑料形状、粒径、聚合物类型、添加剂成分及含量,以及土壤理化性质等多种因素的影响,不同研究所得出的结论也不同,甚至互相矛盾,即微塑料对土壤微生物群落的丰富度和多样性具有促进、抑制和无显著影响等多种效应(表1[8,12-13,47-53])。例如:REN等[47]研究发现,添加w=5%的小粒径(<13 μm)PE微塑料可显著促进土壤中细菌和真菌的群落丰富度(chao1)、覆盖度(ACE)和α多样性(Shannon指数);而大粒径(<150 μm)PE微塑料对土壤微生物群落结构的影响还受到暴露时间的影响,上述3种指数在暴露后第3天显著提高,但在第30天时再次降低。相反,FENG等[50]比较了PE、PS、聚酰胺(polyamide, PA)、PLA、聚羟基丁酸酯(polyhydroxybutyrate, PHB)和聚丁二酸丁二醇酯(poly butylene succinate, PBS)这6种微塑料对土壤微生物群落丰度与α多样性的影响,发现微塑料总体上降低了细菌群落的α多样性(包括Chao1、ACE、Simpson和Shannon指数),且微塑料类型和剂量对Shannon指数和Simpson指数有交互影响,例如,w=2%的PA导致Chao1和ACE指数最低,而w=2% PLA导致Shannon和Simpson指数最低。此外,也有研究者发现,微塑料对土壤微生物群落丰度与多样性无显著影响,HUANG等[13]研究显示,低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)薄膜碎片的添加对土壤中细菌的OTU丰度、均一度和α多样性(Shannon指数)均无显著影响。

表1 微塑料对土壤微生物群落组成与多样性的影响[8,12-13,47-53]

2.3 微塑料对土壤微生物群落组成的影响

微塑料作为一种特定的碳源,一方面可以促进土壤中某些可以分解利用该类聚合物的微生物种群的生长;另一方面,随着微塑料的老化与分解,其中的增塑剂、阻燃剂和抗氧化剂等有毒有害添加剂释放到土壤中,抑制了某些敏感微生物类群的群落丰度,从而改变了土壤微生物的群落组成。因此,目前对土壤中微塑料污染下的微生物群落结构的变化特征研究结果仍存在差异。以PE微塑料为例,费禹凡等[8]研究发现,w=1%的PE添加可显著增加土壤中鞘脂单胞菌目(Sphingomonadales)、黄色单胞菌目(Xanthomonadales)、丙酸杆菌目(Propionibacteriales)、噬几丁质菌目(Chitinophagales)、鞘脂杆菌目(Sphingobacteriales)和黄杆菌目(Flavobacteriales)等细菌的相对丰度,而放线菌目(unclassified Actinobacteria)、β-变形菌目(Beta-proteobacteriales)、粘球菌目(Myxococcales)和芽单胞菌目(Gemmatimonadales)等细菌的相对丰度则显著下降。HUANG等[13]研究亦发现,土壤中加入低剂量(0.076 g·kg-1)PE薄膜(2 mm×2 mm)后,放线菌门微生物丰度显著下降,这可能是由于一些可降解PE的放线菌更容易富集在微塑料表面。而REN等[47]研究则发现,在添加PE微塑料后的土壤中,优势菌群从变形菌门(Proteobacteria)演变为放线菌门(Actinobacteria)。此外,添加PE的处理土壤中酸杆菌门(Acidobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和拟杆菌门(Bacteroidetes)细菌丰度均有所下降,且随着暴露时间增加,变形菌门、酸杆菌门和拟杆菌门丰度持续下降。

与细菌相比,微塑料对土壤中真菌群落组成影响的研究相对较少。REN等[47]研究表明,在对照组(未添加)和添加PE微塑料的所有处理土壤中,子囊菌门(Ascomycota)均为优势菌群。添加微塑料30 d后,大粒径(<150 μm)PE处理土壤中子囊菌丰度(82.23%)高于对照处理(63.29%),而小粒径(<13 μm)PE处理土壤中子囊菌门和结菌门(Zygomycota)丰度增加,担子菌门(Basidiomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)、纤毛菌门(Ciliophora)和罗氏菌门(Rozellomycota)丰度则有所降低。由于病毒的高变异性和内在复杂性,从环境中分离病毒并研究其多样性存在较大困难,有关微塑料对土壤病毒群落组成影响的研究仍非常有限。蒋娟等[54]利用宏基因组学技术研究了农村垃圾堆放场周边受微塑料污染的土壤中噬菌体病毒的群落组成特征,发现土壤病毒中的长尾噬菌体科(Siphoviridae)和短尾噬菌体科(Podoviridae)丰度较高,表明土壤中噬菌体病毒的聚集受微塑料存在的影响。

当前,有关微塑料对土壤微生物群落结构与多样性的研究主要基于对土壤中细菌16S rRNA和真菌18S rRNA序列的高通量测序,而对微塑料影响下土壤中固氮菌、固碳菌和有机污染物降解菌等功能菌群的丰度及其与土壤氮循环、碳循环和有机物降解等功能之间的相关性,仍有待从宏基因组学、蛋白组学和代谢组学水平进行深入研究。

3 微塑料对土壤微生物群落功能的影响

3.1 微塑料对土壤酶活性的影响

土壤酶参与土壤中各种生物化学过程,如有机质的矿化分解、养分循环与能量流动,以及污染物的降解代谢与转化。土壤酶活性大致反映了某一种土壤生态状况下生物化学过程的相对强度。已有研究表明,微塑料可通过改变土壤微生物群落结构和/或土壤理化性质,如破坏土壤稳定性团聚体结构、降低土壤通气性和透水性、提高土壤水分蒸发速率等途径进而影响脲酶、磷酸酶、脱氢酶和荧光素二乙酸酯水解酶(FDAse)等多种土壤酶活性。由于土壤性质的差异和微塑料聚合物成分、形状、尺寸,以及添加剂组成和含量的不同,微塑料对同一土壤酶活性的影响存在很大差异。如:FDAse活性能很好地反映土壤中微生物活性、土壤质量的变化以及生态系统中有机质的转化,可作为评估土壤质量短期变化的有效指标,并可以代表微生物的总体代谢活性。DE SOUZA MACHADO等[32]研究发现,PA、HDPE和PES可提高土壤中FDAse活性,而聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)、PP和PS对FDAse活性无显著效应。然而,FEI等[12]研究发现,HDPE和PVC会抑制土壤中FDAse活性,但可提高酸性土壤中脲酶和酸性磷酸酶活性,表明微塑料在一定程度上加快了土壤中氮素和磷素养分的周转。AWET等[11]发现PS纳塑料显著降低碱性土壤中脱氢酶、亮氨酸氨肽酶、碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶等酶的活性。上述不同的研究结论充分说明,微塑料对土壤酶活性的作用受微塑料的聚合物成分和尺寸以及土壤理化性质(如酸碱度)等多种因素的共同影响。

3.2 微塑料对土壤碳循环相关微生物的影响

微塑料主要由碳元素和其他元素组成,其中,碳元素比例可达到80%,可为微生物群落生长繁殖提供所需碳源[3]。因此,土壤中微塑料可通过改变土壤有机质含量、改变土壤团聚体结构和孔隙度而影响特定土壤微生物类群的生长和活性等方式,调控土壤固碳潜力、有机质分解和温室气体排放等过程,进而影响土壤碳循环。此外,微塑料还可以通过吸收和释放土壤环境中其他污染物以及自身成分中的添加剂组分,从而影响参与生态系统中碳循环的微生物及其他生物类群。LIU等[14]研究发现,PP(w=7%)的添加抑制了土壤中溶解性有机质的降解;而BARRETO等[55]却发现,与对照组和添加PP微塑料相比,添加PES微塑料加快了土壤中有机质的分解。这提示微塑料对土壤碳的固定与分解的影响效果与微塑料聚合物类型、剂量、土壤性质以及环境条件等因素有关。微塑料不仅能为土壤微生物提供更多的生存空间和碳源,还能影响碳分解相关功能基因(如编码纤维素和几丁质降解的酶基因等)的表达,且这一过程可能与微塑料类型有关,如LDPE微塑料对编码碳降解相关功能基因的细菌相对丰度有显著影响,而PES微塑料对其却无显著影响[56]。土壤呼吸是土壤碳循环的重要过程,土壤呼吸强度与土壤微生物活性密切相关[57]。NG等[58]的研究表明,高浓度LDPE(w=3%)处理可显著增强土壤微生物的碳代谢活性,提高土壤呼吸强度(以CO2日通量计),而低浓度LDPE(w=0.2%)和PET(w=0.2%和0.4%)处理对土壤呼吸强度均无显著影响。总体上,微塑料对土壤呼吸强度的影响过程复杂,受到微塑料聚合物成分和浓度的双重影响,但具体影响机制尚不清晰。

3.3 微塑料对土壤氮循环相关微生物的影响

氮循环过程主要包含固氮、硝化、反硝化和厌氧氨氧化过程,微塑料可以通过影响氮循环相关微生物的定殖与酶活性、氮循环相关功能基因的表达调控、吸附污染物与释放添加剂、诱导活性氧等途径影响土壤中氮循环过程[59]。氮循环中涉及的酶主要包括固氮酶,参与硝化过程的氨单加氧酶、羟胺氧化还原酶和亚硝酸盐氧化还原酶,以及参与反硝化过程的硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶和一氧化二氮还原酶等。研究表明,LDPE微塑料的添加可降低土壤中氨氧化细菌和亚硝酸盐还原酶丰度,但对氨氧化古菌丰度,以及亚硝酸盐还原酶和氧化亚氮还原酶功能基因丰度无显著影响。QIAN等[15]研究发现,在微塑料残留的土壤中,生物固氮调控基因nifH丰度显著增加,而与反硝化过程相关的nirK基因丰度显著降低。总之,与对碳循环的影响类似,微塑料对氮循环的影响与其自身特征、聚合物成分以及土壤环境都密切相关,但具体影响机制仍有待深入研究。

3.4 微塑料对污染物降解相关微生物的影响

微塑料在土壤中积累也会影响其他污染物降解相关功能微生物,进而影响相关污染物在土壤中的降解潜力。刘沙沙等[60]发现,芘污染土壤中PVC微塑料(w=0.2%)的添加,增加了土壤中鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)和诺卡氏菌(Nocardioides)等芳烃降解菌的相对丰度,进而加快了土壤中污染物的代谢进程。WANG等[61]研究发现,向含有环丙沙星(10 mg·kg-1)的土壤中添加w=1% PE微塑料共培养35 d后,与未添加微塑料的处理相比,土壤中环丙沙星降解率显著降低,这可能与添加微塑料后改变了土壤中放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)相对丰度有关,进而抑制了环丙沙星的降解。

4 未来研究展望

(1)需进一步关注由不同聚合物类型塑料裂解形成的小粒径微塑料,特别是亚微米和纳米塑料对真实环境条件下土壤理化性质和土壤微生物群落结构和功能的长期动态影响。目前,受对土壤中小粒径微塑料和纳米塑料的分离提取与鉴定方法的限制,有关微塑料对土壤性质和微生物生态效应的研究大多是以商品化的PS微球和PE薄膜等微塑料作为研究材料,研究方法以实验室模拟为主,研究周期以短期暴露试验为主。这并不能真实地反映土壤环境中微/纳塑料的赋存特征与生态效应。未来,在前处理方法和分析鉴定技术发展的支撑下,应通过室内模拟与田间监测相结合的方式,在更长的实验周期内(如比较完整的年际变化或植物完整生育期的影响),深入考察更多聚合物类型和形状的微/纳塑料对土壤理化性质及微生物群落结构和功能的动态影响。

(2)需进一步考虑土壤中微塑料的老化与降解过程对土壤微生物生态效应的影响。当前有关土壤微塑料微生态效应的研究,更多的是利用商品化的表面清洁、光滑的微塑料,或是在单一情景下模拟的老化微塑料。而真实土壤环境中的微塑料通常是在物理化学老化作用和生物降解转化等过程共同作用下形成的表面具有多孔结构、有生物膜和污染物附着的复合体。微塑料表面的生物膜中不可避免地存在可降解微塑料的降解菌,生物膜和降解菌的存在进一步增加了微塑料对污染物的吸附性能。因此,微塑料-生物膜-污染物三元复合体对土壤中微生物群落结构与功能的作用机制尚有待深入研究。

(3)需进一步探讨微塑料对土壤微生物与对植物和土壤动物的联合生态效应。土壤是一个复杂的生命与非生命的复合体,土壤中的无机矿物、有机质、微生物、植物根系以及土壤动物相互作用并相互影响,共同保障了土壤生态系统的稳定与健康。因此,微塑料对土壤微生物生态的影响除了与微塑料自身特性、土壤环境条件有关以外,还与土壤中的植物类型和活性,以及土壤动物区系的群落结构和功能密切相关。未来应借助宏基因组、转录组、蛋白组、代谢组学等高通量组学技术,创新微塑料的环境安全性测试方法,从土壤食物网稳定性和食物链传递风险等方面多层次耦合分析土壤-植物系统中微塑料的生态环境效应与人体健康风险,为微塑料污染风险的源头控制提供科学依据。