土壤微塑料污染及微生物降解研究进展

谢 谚

（1. 中石化安全工程研究院有限公司 环保室，山东 青岛 266104；2. 化学品安全全国重点实验室，山东 青岛 266104）

石油基塑料是重要的有机聚合物，在工农业生产和日常生活中广泛使用［1］。据报道，2018年全球塑料年生产量接近3.6亿吨，但只有6%～26%被回收利用，其他的塑料最终进入环境成为污染物［2］。微塑料是指粒径小于5 mm的塑料碎片。在塑料制品的生产、加工、利用、废弃过程中，受物理、化学、生物等各种因素的影响，有大量微塑料以颗粒、纤维和薄膜等形态被释放到环境中，导致微塑料成为全球最严峻的环境污染问题之一［3］。国务院2022年印发的《新污染物治理行动方案》将微塑料列为重点新污染物，与持久性有机物、内分泌干扰物和抗生素共同成为四大类新污染物。

全球在海洋［4］、空气［5］、淡水［6］、土壤［7］中都检测到了微塑料。虽然海洋中的微塑料污染是最早被发现和研究的，但陆地作为塑料制品的生产和重要汇集地，微塑料污染丰度可能是海洋的4～23倍［8］。根据当前的研究，土壤微塑料污染的典型区域包括长期施用污泥的农田、覆膜农田、灌溉区农田、河流海岸带潮滩、工业园区以及城市周边受垃圾影响较重的区域［9］。其中，工业园区土壤中微塑料污染水平显著高于农用地土壤。澳大利亚悉尼塑料制品生产工业园区土壤中被检出微塑料的丰度最高达67 500 mg/kg［10］，与农用地土壤中微塑料的污染水平呈现数量级的差异。

石油石化行业广泛涉及微塑料的产生，一方面石油化工产品是塑料原料加工的源头；另一方面，微塑料可以用于石油和天然气勘探的钻井液［11］。根据国内外学者对土壤中微塑料污染特性的分析研究，常见的微塑料成分包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯［12］。

本文概述了微塑料的土壤污染危害、微塑料与其他污染物的主要耦合机制，总结了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯4类微塑料的土壤微生物降解研究进展，提出石油石化企业防范土壤微塑料环境风险应重点关注的问题。

1 微塑料的土壤污染风险

1.1 微塑料对土壤的危害

微塑料会改变土壤的理化性质。首先，微塑料会改变土壤水循环，微塑料含量达到一定值时，会导致土壤水分入渗受阻，提高土壤侵蚀概率［13］。其次，微塑料及其添加剂会影响土壤pH［14-15］，如高密度聚乙烯显著降低土壤的pH，而以碳酸钙做填充剂的聚氯乙烯则导致土壤pH升高。再次，微塑料对土壤物质循环和酶活性具有显著影响［16］，从而导致土壤肥力降低。最后，微塑料自身存在生物累积效应，生物体可能摄食微塑料，也可能通过摄入其他生物体间接摄入微塑料，通过食物链完成在生物体内的累积［17］，并进一步影响生物体的营养摄入、生长、发育、繁殖和存活［18］。有学者已在人类胎盘、母乳、血液、肺部和粪便中发现了微塑料，说明微塑料可以进入人体并在体内聚集［19］。

1.2 微塑料与有机物的耦合作用

研究人员在环境中提取的微塑料上检查到大量有机物，主要包括多氯联苯、多环芳烃、邻苯二甲酸酯、烷基酚等，最高含量达10 000 μg/g［20］。这说明自然环境中普遍存在微塑料与有机物的耦合作用。微塑料的表面特性和疏水性使其可以作为有机物的优良载体，吸附有机物使其负载在微塑料表面或渗透到内部。

微塑料吸附有机物的作用机制主要包括极性作用、表面吸附和其他机制，其中极性作用和表面吸附是最重要的机制。极性作用是有机物根据“相似相溶”原理在亲水相和亲油相之间达到的一种平衡，无关于微塑料表面吸附位点，当微塑料颗粒与有机物之间的极性匹配程度较高时，主要发生极性作用［21］。吸附作用是各种气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸附在固体或液体物质表面上的作用，可分为物理吸附和化学吸附。微塑料的吸附以物理吸附为主，主要作用机制是疏水作用和静电作用。疏水作用对于非极性有机物和微塑料的相关作用行为比静电作用和氢键作用更加重要［22］。由于微塑料成分为低表面能物质，其表面主要表现出疏水特性，因此对有机物有较强的吸附作用。通常情况下，有机物的疏水性越强，微塑料对其吸附量越大［23］。静电作用主要发生在微塑料表面的零电荷点值低于环境pH的情况下，此时微塑料带负电［24］，可与带正电的污染物发生静电作用。此外，表面官能团、物质空间结构、分子量等因素都会影响微塑料对有机物的吸附能力。WANG等［25］研究了聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯对芘的吸附情况，得出对芘的吸附量随微塑料比表面积增大而增大的结论。GEORGE等［26］研究发现，相较于球状结构的有机物，平面型分子结构的有机物更容易被吸附在微塑料上。

被微塑料吸附的有机物在进入生物体内后会发生脱附进而被生物体吸收，甚至可能发生作用机制和毒性效应的改变。AVIO等［27］研究发现，贻贝暴露在吸附了芘的微塑料环境中相较于直接暴露在芘环境中，体内芘的生物累积量提高了13倍，最高达470 ng/g，证明微塑料的存在增加了生物体内有机物的累积。但OLIVEIRA等［28］研究发现，微塑料的存在延缓了芘诱导鰕虎鱼幼体的死亡，100%致死率的暴露时间延长了25%。

1.3 微塑料与重金属的耦合作用

我国学者的研究表明，微塑料污染区域与重金属污染区域有较为明显的重合［29］。微塑料也是重金属的优良载体。Cu2+、Cd2+、Pb2+、Hg2+、Zn2+等金属离子与微塑料的耦合被广泛研究报道［30-31］。微塑料与重金属的耦合可能导致重金属污染物的危害提升［32］。

微塑料吸附重金属的作用机理主要包括静电吸附和化学吸附。静电吸附主要发生在微塑料表面的零电荷点值低于环境pH的情况下，微塑料表面呈电负性，易与金属阳离子发生静电耦合。化学吸附则是由于微塑料表面官能团生成的活性点位与金属发生络合、配位、螯合、共享或电子交换［33］。微塑料与重金属的耦合受众多因素的影响，包括微塑料的分子排列、表面形貌、金属离子电性、土壤条件等［34］。

微塑料会驱动重金属在土壤和食物链中传递，一般来说，微塑料的迁移会促进重金属的迁移，而微塑料的滞留会抑制重金属的迁移［35］。微塑料与重金属的耦合可能对生物体造成更大的危害。FENG等［36］研究发现，耦合微塑料的铅显著提高了小鼠的血铅含量，说明耦合微塑料的重金属可能发生生物可利用性变化，导致其在生物体内分布变化，对特定生物器官造成损伤。微塑料对生物体的物理伤害也会加剧重金属对生物体的毒性［37］。

2 土壤微生物降解微塑料的研究进展

微塑料是持久性污染物，传统物理化学方法处理微塑料污染存在较大难度。土壤中的微塑料比水体中的微塑料更难通过物理化学方法去除。国内外学者的大量研究显示，自然环境中存在对塑料具有降解能力的微生物，虽然降解速率缓慢，但利用微生物技术处置微塑料污染是可能的。微生物技术具有反应条件温和、无二次污染等优点，逐步成为国际微塑料污染处置的研究热点，大量微塑料降解微生物从海洋、土壤甚至动物肠道菌群中被筛选分离出来。

微塑料的生物降解性能受微塑料性质、微生物和环境因素的共同影响。一般说来，氧化基团和亲水性较好的化合物更易被微生物降解。微塑料的微生物降解分为4个步骤［38-42］：变质，解聚，同化，矿化，如图1所示。变质主要依靠外界条件或微生物胞外分泌物使微塑料聚合物的物理化学性质发生改变，引入亲水性较强的官能团；解聚是在微生物胞外酶的催化作用下，将微塑料聚合物切断分解成水溶性短链低聚物；同化则是在解聚的基础上，完成低聚物的细胞内外跨膜输送，保证低聚物进一步参与微生物的新陈代谢；矿化是微生物利用细胞内各种代谢途径将微塑料聚合物最终降解为CO2、H2O或CH4等。此外，有研究显示，纳米级微塑料可以通过内吞作用或作物根部裂隙进入细胞组织［43］，因此纳米级微塑料的生物降解更为复杂，有待进一步研究。

图1 微生物降解微塑料的步骤

可降解微塑料的微生物菌种、环境条件差异较大。本文总结了石油化工行业常见的4种微塑料的微生物降解研究进展。

2.1 聚乙烯微塑料的微生物降解

聚乙烯包括高密度聚乙烯和低密度聚乙烯，广泛用于农田覆膜、日用塑料袋等。大量微生物（如假单胞菌、芽孢杆菌、红球菌、木霉菌等）都被发现可以降解聚乙烯。

AUTA等［44］从马来西亚半岛红树林沉积物中分离筛选得到格式芽孢杆菌Bacillus gottheilii，40 d对聚乙烯微塑料的减重率达6.2%，红外光谱分析显示，在聚乙烯降解过程中出现了氨基、羟基等极性官能团，说明微生物通过增强聚合物的极性强化其生物可利用性。TRIBEDI等［45］在未预处理的情况下，利用假单胞菌Pseudomonasp.AKS2降解低密度聚乙烯，45 d减重率达5%±1%；研究还讨论了矿物油和吐温80在微生物降解聚乙烯微塑料中的作用，前者促进微生物在聚乙烯表面的附着，从而促进聚合物降解，后者则相反。MONTAZER等［46］研究发现皮特不动杆菌Acinetobacter pittiIRN19在紫外光预处理方式下，可以对聚乙烯微塑料进行降解，28 d减重率为26.8%±3.0%。朱会会等［47］从长期覆膜土壤中筛选得到降解菌群ZH-5，主要由新生螺旋菌Noviherbaspirillumsp. 、嗜氨菌Ammoniphilussp. 和假单胞菌Pseudomonassp. 构成，60 d对聚乙烯微塑料的减重率为2.86%。PARK等［48］从垃圾填埋场得到主要由芽孢杆菌Bacillussp. 和类芽孢杆菌Paenibacillussp. 组成的菌群，60 d对聚乙烯微塑料的减重率达到14.7%。

2.2 聚丙烯微塑料的微生物降解

聚丙烯是一种性能优良的热塑性石油基塑料，具有耐酸、碱、有机腐蚀的特点，广泛用于服装、医疗器械、食品药品包装等领域。目前针对聚丙烯微塑料的微生物降解研究相对较少，细菌和真菌都有降解聚丙烯微塑料的菌种，如芽孢杆菌、红球菌、白腐菌和白色念珠菌等。

目前发现的聚丙烯微塑料的微生物降解效率普遍较低，且对真菌类微生物研究较多。AUTA等［49］发现，芽孢杆菌和红球菌对紫外线预处理的聚丙烯微塑料具有降解能力，40 d的减重率分别达到4%和6.4%。SHIMPI等［50］将聚丙烯、聚乳酸和纳米碳酸钙混合，利用黄孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium进行生物降解，28 d的减重率达到5.3%，在聚合物减重的过程中，同时观察到大量蛋白质的释放，纳米碳酸钙的添加有助于聚合物的降解。JEON等［51］利用寡氧单细胞菌Stenotrophomonas panacihumiPA3-2降解不同分子量的聚丙烯微塑料，研究发现细菌可以对高分子量的聚丙烯微塑料进行降解，但降解效率随着聚合物分子量的升高而下降。

2.3 聚氯乙烯微塑料的微生物降解

聚氯乙烯曾是世界上产量最大的通用塑料，广泛应用在建材、工业制品、日用品、管材等方面，2017年被世界卫生组织列入致癌物清单。近些年研究发现，聚氯乙烯微塑料广泛分布在自然环境中，且是二噁英的主要来源［52］。聚氯乙烯的特别之处在于它的骨架中引入了氯原子，增加了其微生物降解的难度。目前针对微生物降解聚氯乙烯微塑料的研究较少，且降解效率偏低。

ALI等［53］利用土壤包埋筛选聚氯乙烯降解菌，经过10个月的筛选得到4株具有聚氯乙烯降解能力的真菌，其中黄孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium效果最好，在其降解聚氯乙烯微塑料的过程中可以明显观察到聚合物分子量的降低和微观结构的变化。GLACOMUCCI等［54］利用香茅醇假单胞菌Pseudomonas citronellolis降解聚氯乙烯微塑料的研究表明，此菌株的优势效应不受其他菌种的影响，但菌株对聚合物中添加剂的降解较聚氯乙烯更为显著。KUMARI等［55］利用细菌菌株对低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚氯乙烯进行降解研究，发现菌株对聚氯乙烯的降解效率明显偏低，30 d减重率仅为0.26%，推测氯离子的存在使聚氯乙烯的微生物降解存在不确定性。

2.4 聚苯乙烯微塑料的微生物降解

聚苯乙烯的聚合物主链为饱和碳链，侧基是共轭苯环，在应力作用下易脆性断裂，但具有较好的耐热性能，广泛应用于一次性容器，被世界卫生组织列入致癌物清单。聚苯乙烯微塑料降解受到国内外学者的广泛关注和研究，并深入到生物降解的过程和机理。研究表明，聚苯乙烯微塑料生物降解的中间产物包括氧化苯乙烯、苯基乙醇、苯基乙醛、1-苯基-1、2-乙烷二醇等［56］。

MOHAN等［57］研究发现，Bacillussp. 可利用抗冲击聚苯乙烯微塑料作为唯一碳源，30 d减重率达到23.7%，抗冲击聚苯乙烯微塑料表面出现生物定植、凹坑和孔，色谱分析显示降解中间产物为苯基乙醇。YANG等［58］发现黄粉虫幼虫可以消化聚苯乙烯微塑料，这得益于其肠道中的微小杆菌Exiguobacteriumsp. YT2，YT2对聚苯乙烯微塑料的60 d减重率达到7.4%±0.4%。MAMTIMIN等［59］利用黄粉虫幼虫对比处理聚苯乙烯微塑料和玉米秸秆，发现黄粉虫幼虫对二者进行生物降解的微生物高度相似，均主要为沙雷氏菌、葡萄球菌和红球菌，提出黄粉虫幼虫对聚苯乙烯微塑料的降解能力源于其降解天然木质纤维素的能力，而聚苯乙烯降解酶包括多铜氧化酶、细胞色素P450、单加氧酶、超氧化物歧化酶和脱氢酶等。KIM等［60］利用铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosaDSM 50071开展了聚苯乙烯微塑料的降解研究，发现聚苯乙烯微塑料在降解过程中形成了C—O单键，聚合物表面发生疏水到亲水的变化，同时确定丝氨酸水解酶参与了聚苯乙烯微塑料的生物降解。CHEN等［61］利用热杆菌Geobacillus、芽孢杆菌Bacillus和地杆菌Thermusand等超级嗜热菌开展了聚苯乙烯微塑料降解的生物堆肥研究，在70 ℃条件下，56 d的减重率达7.3%，比40 ℃条件下的常规堆肥效率提高了6.6倍。

3 结语与展望

石油基微塑料作为备受关注的新污染物势必成为未来环境风险防控的重要目标之一。虽然国内外学者对海洋、河流等水体的微塑料污染状况开展了大量研究，但是对土壤的微塑料污染特征研究较少，针对石油石化行业场地的研究更是空白。石油石化行业场地广泛涉及石油基塑料的加工和使用，同时可能存在有机物、重金属等污染，易与微塑料发生耦合，进而影响微塑料的环境行为、生态风险和污染降解机制，增加风险管控的复杂性。因此，建议提前布局研究石油基微塑料的风险管控工作。

a）关注场地微塑料污染水平和特征研究。微塑料作为新污染物，国家尚未建立标准化的监测方法。目前缺少土壤微塑料污染现状和特征的研究和数据，无法有效支撑环境管理和风险防控工作。因此，亟需建立准确、高效、简便的土壤微塑料检测方法，解决因土壤复杂性及微塑料尺寸微小造成的技术问题，并以此为基础开展行业场地微塑料污染水平和特征研究，为后续风险管控和污染治理提供基础数据。

b）关注微塑料与有机物在土壤中的相互作用效应研究。微塑料体积小、疏水性强，具备吸附有机物的强大性能，易与有机物发生耦合，影响二者在土壤中的迁移、转化规律，并可能影响微生物对二者的降解作用。开展微塑料与有机物的相互作用研究，有利于掌握二者在土壤生态系统中的环境行为和协同效应，为开展土壤中微塑料-有机物的复合污染风险防控和治理提供依据。

c）关注微塑料的微生物降解机理和高效降解菌群研究。尽管越来越多的微塑料降解菌被筛选出来，但是利用微生物技术开展微塑料污染治理仍然存在三大问题：微塑料降解效率低；多种微塑料难以同时降解；微塑料降解不完全。这与微生物降解微塑料机制复杂、涉及酶类多有很大关系。筛选高效微塑料降解微生物，揭示降解酶和降解机理，组建降解菌群，利用耦合手段加速聚合物变质协同微生物代谢等研究可以作为突破点，对于发挥微生物技术在治理微塑料污染中的作用具有重要意义。