加强土壤微/纳塑料研究 支持新污染物治理行动

涂 晨, 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〕

自20世纪50年代以来,全球塑料年生产量从1950年的1.70×106t激增到2020年的3.67×108t[1]。塑料的大量广泛使用、不完善的废物回收体系和不健全的废物管理制度,导致大量塑料垃圾被丢弃而进入环境和生态系统,造成日益严重的塑料污染[2]。进入环境中的塑料垃圾在物理、化学和生物学作用下不断发生风化、破碎和降解,形成微塑料(<5 mm)和纳塑料(<1 μm)[3]。当前,环境中的微/纳塑料污染已成为全球广泛关注的热点环境问题。微/纳塑料尺寸微小且吸附性能强,致使其环境毒害效应更加突出。联合国环境规划署(UNEP)已将微塑料列入全球性新污染物。2022年5月,我国国务院印发了《新污染物治理行动方案》,明确指出需加强微塑料等新污染物多环境介质协同治理,加强微塑料等新污染物的生态环境危害机理研究。

土壤是陆地生态系统最重要的组成部分,更是维护陆地生态系统健康的基础。有研究[4]指出,每年进入土壤环境中的微塑料通量明显高于海洋,导致陆地微塑料丰度是海洋的4～23倍。土壤中微/纳塑料的污染来源广泛,包括农膜使用、有机肥和化肥施用、污泥农用和废水灌溉、大气沉降、地表径流(包括轮胎磨损颗粒)和大塑料破碎等[5]。进入土壤环境中的微/纳塑料在物理化学风化与生物降解转化等作用影响下,其表面形貌及性质、机械性能、对污染物的吸附能力和迁移转化能力都发生了明显变化,并可通过植物吸收和生物摄入进入食物链,进而对生态系统安全和人体健康构成潜在威胁[5]。因此,亟待加强土壤中微/纳塑料的来源、分布、行为、生态风险、食物链和健康风险等方面的研究,为我国农田土壤微/纳塑料污染的风险管控与治理提供科学依据和技术方法[6]。

为了更大范围地交流和推进环境微/纳塑料研究工作,《中国科学院院刊》和《科学通报》分别于2018和2021年先后组织出版了“环境微塑料污染与管控策略”和“环境微塑料”专题[6-7],但其中关于土壤微塑料,特别是土壤纳塑料的研究论文非常有限。此次,在“第四届全国(海洋)环境微塑料污染与管控学术研讨会”开幕之际,我们在《生态与农村环境学报》上组织了“土壤环境微/纳塑料与生态风险”专辑,旨在促进我国土壤环境微/纳塑料的研究和学术交流,以更好地支持和服务于《新污染物治理行动方案》的贯彻落实。本专辑共收录14篇论文,包括7篇综述和7篇研究报告;作者来自中国科学院、生态环境部和教育部等相关单位的50余名从事土壤微塑料研究的专家学者、博士后和研究生;研究内容涵盖土壤环境微/纳塑料的分析方法和污染特征、表面吸附和垂向迁移、生物生态和环境效应、老化降解和管控对策模块,具体内容如下:

(1)分析方法和污染特征。本模块包括3篇论文。李雯星等[8]比较评估了前消解、后消解和前后消解3种处理方法对红壤、褐土和黑土中9种类型微塑料的提取效果,优化了土壤微塑料的消解与提取测定方法。杨杰等[9]调查了中国4个省份不同类别粪便(鸡粪、牛粪、羊粪和猪粪)堆肥中微塑料的赋存特征及区域差异,证实了粪便堆肥是农用地土壤微塑料的重要来源,估算了其对中国农田土壤微塑料的年贡献量。曹慧慧等[10]综述了气候因子作用下土壤微/纳塑料污染特征及生态效应,发现升温、干旱、冻融与洪涝现象均能在一定程度上提高土壤微/纳塑料丰度,并加速微/纳塑料的老化。

(2)表面吸附和垂向迁移。本模块包括2篇论文。单晓玲等[11]研究揭示了聚苯乙烯微塑料对土壤吸附泰乐菌素的影响过程与机制,发现添加微塑料均显著提高4种土壤吸附泰乐菌素的能力,并受土壤类型、pH和离子强度等多种因素的影响,吸附机制为以疏水作用和静电作用为主导的多相吸附。向黎等[12]通过中宇宙试验装置,探讨了农田土壤中不同生物因素(跳虫、蚯蚓密度、植物根系)和非生物因素(微塑料的类型和老化、暴露时间、淹水)的变化对蚯蚓驱动土壤中微塑料垂向迁移的影响。

(3)生物生态和环境效应。本模块包括7篇论文。李瑞杰等[13]基于室内水培试验,研究了不同温湿环境条件下小麦幼苗对亚微米级(0.2 μm)聚苯乙烯微球吸收的量化特征,揭示了小麦吸收微球后的生长与生理状态变化。李嘉等[14]比较了单一聚氯乙烯微塑料暴露、微塑料与不同浓度生物炭复合暴露条件下生菜的生长指标和生理生化指标,发现添加适量生物炭能够缓解土壤微塑料的植物毒性。陈广龙等[15]综述了微塑料对陆生植物生长发育和根际环境影响的研究进展,包括对种子萌发与根系发育、植物生物量、光合作用、氧化应激和抗氧化酶活性、细胞毒性和遗传毒性、植物代谢和营养吸收、根际土壤性质和根际微生物群落的影响。莫奥运等[16]综述了微/纳塑料对土壤动物的毒性作用,微/纳塑料可在个体、组织器官和分子水平上引起蚯蚓、线虫和跳虫等土壤动物在生长发育、氧化应激、运动行为、生殖和神经等方面的毒性效应。韦婧等[17]综述了微塑料对农田土壤理化性质、土壤养分循环和污染物相互作用的影响,进一步分析了微塑料对土壤微生物生物量、微生物群落结构与多样性、土壤酶活性,以及碳氮循环和污染物降解等土壤生物地球化学过程的影响。陈冠霖等[18]综述了土壤微塑料对微生物及温室气体排放影响的研究进展,讨论了微塑料如何通过改变土壤理化性质、微生物酶和基因活性等方式影响CO2、N2O和CH4这3种典型温室气体的排放效应、机制及影响因素。冯裕栋等[19]系统总结了土壤中的微/纳塑料对植物、动物和微生物的影响及在陆地生物和食物链中传递的研究进展,提出未来需要加强土壤中微/纳塑料的生态系统和食物链传递的风险评估。

(4)老化降解和管控对策。本模块包括2篇论文。周倩等[20]以聚乳酸基生物可降解塑料薄膜为研究对象,采用原子力显微镜-红外光谱联用系统研究了不同土壤温度条件下微塑料表面在纳米尺度上的老化特征变化。王伟平等[21]在分析土壤微塑料污染防治面临问题的基础上,提出了我国土壤微塑料污染防控对策建议,包括制定土壤微塑料监测方法和标准、将微塑料纳入土壤环境质量标准管理体系、提高废弃农膜和农药包装回收率、加强活性污泥资源化利用监管和提升科技支撑能力,以及推动源头治理、预防土壤微塑料污染等。

因篇幅有限,本专辑未能涉及土壤微/纳塑料研究中其他一些重要内容,如土壤微/纳塑料高通量分离、检测、表征的新方法,土壤微/纳塑料物理化学与生物学转化等界面过程,土壤微/纳塑料与增塑剂等内源性添加剂,重金属、有机污染物和抗生素抗性基因及病原菌等外源性污染物的相互作用,微/纳塑料在土壤中的生物降解过程与环境效应等。希望通过本专辑的出版,能使国内从事土壤微/纳塑料研究的科研人员、工程师,以及产业界和管理部门有关人员进一步了解国内外土壤微/纳塑料研究现状、进展和挑战,促进交流与合作,共同推动我国土壤微/纳塑料领域持续快速的应用基础研究与治理技术发展。值此专辑出版之际,对参与本专辑的所有作者、审稿人以及《生态与农村环境学报》编辑部的大力支持与帮助表示诚挚的感谢!