微塑料对作物影响的研究进展

李旺望 张乐 蔡慧 田智全 张兆威

摘要：微塑料是尺寸小于 5 mm的塑料颗粒，在土壤中数量多且持久性强，引发了严重的全球环境问题。微塑料会通过根部或叶片进入作物体内，会对作物不同生长阶段产生影响。总结了现有研究中微塑料进入作物体内的途径及作物体内微塑料的检测方法，并探讨了不同微塑料对作物发芽率、生物量、光合作用、氧化应激系统、营养物质、基因表达等的影响，发现微塑料对作物的影响因微塑料特性、作物种类和环境因素而异。在某些试验条件下，微塑料对作物没有影响或有积极影响。然而，更多研究表明，微塑料抑制作物生长，最终影响作物产量，并且微塑料可以通过食物链向上富集，影响人类健康。

关键词：微塑料；作物；迁移富集；食物链；风险

中图分类号：X173；X53         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）06-0053-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.06.008 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research progress on the impact of microplastics on crops

LI Wang-wang1， ZHANG Le1， CAI Hui1， TIAN Zhi-quan1， ZHANG Zhao-wei2

（1.School of Ecology and Environment， Tibet University，  Lhasa  850000， China；

2.School of Bioengineering and Health， Wuhan Textile University， Wuhan  430200， China）

Abstract： Microplastics were plastic particles with a size of smaller than 5 millimetres， which were abundant and persistent in soil， posing a serious global environmental problem. Microplastics entered the crop body through the roots or leaves and affected different stages of crop growth. The pathways of microplastics entering the crop body and the detection methods of microplastics in crops of existing research were summarized， and the effects of different microplastics on crop germination rate， biomass， photosynthesis， oxidative stress system， nutrients， gene expression， etc. were explored. It was found that the influence of microplastics on crops varied with the characteristics of microplastics， crop species and environmental factors. Under certain experimental conditions， microplastics had no effect or a positive effect on crops. However， more studies had shown that microplastics could inhibit crop growth and ultimately affect crop yield. Moreover， microplastics could be enriched upward through food chains and affect human health.

Key words： microplastics； crops； migration and enrichment； food chain； risk

塑料从1860年问世以来因其轻便、耐用、可塑性强、价格低廉备受人们青睐。截至2023年，全球塑料年产量超过4.3亿t［1］，预测显示，到2050年，全球塑料累计产量将达340亿t［2］。当塑料进入自然环境后，只有10%的塑料得到了回收再利用，其余塑料会在环境中受到紫外线辐射、温差变化、风蚀、雨水冲刷、微生物蚕食、人为因素等的影响分解为颗粒，进一步在自然界持续分解，当粒径小于5 mm时，将其称之为微塑料（Microplastics，MPs）。MPs进入生态系统后，由于其比表面积大，通常会与其他污染物吸附聚集，威胁生态环境安全。在第二届联合国环境大会上，MPs污染被列为环境与生态科学领域的第二大科学问题，与全球气候变化、臭氧耗竭和海洋酸化并列为重大全球环境问题。因此，其潜在的环境与健康风险备受关注。

尽管MPs在海洋中首次被发现，但进一步的调查表明，由于农田广泛使用塑料地膜和棚膜，导致陆地中MPs的含量可能是海洋中的4～23倍［3］。中国农田中大塑料的平均残留量在103 kg/hm2，而MPs的平均丰度为4 537 items/kg（土壤干重），已经处于中度污染水平［4］。土壤已成为MPs的“汇”， 农用地膜破碎、有机肥施用、污水灌溉、污泥农用、大气沉降以及地表径流等是土壤中塑料污染的来源。MPs凭借高度的抗降解性会在土壤中持续存在数十年。随着MPs在环境中的不断积累，当作物长期暴露于MPs环境中时，作物根系会分泌黏液来“捕获”MPs，并且MPs还可以通过作物根部未完全分化的凯氏带及叶片气孔进入维管组织，在蒸腾拉力的作用下传递到作物各部位，最终不仅会影响作物的产量，而且农业中MPs的过度积累可能具有生态风险，将对农业的可持续性和食品安全产生负面影响。MPs还会沿着食物链向高营养级物种富集，最终对人类健康构成威胁。此外，由于农田土壤中作物种类繁多，MPs的材质不一、形状各异、大小不同，时空分布变化较大，导致MPs对生态系统产生不可预测的影响。

土壤环境中的MPs不仅会影响作物正常生长，还有可能危害人体健康。MPs会出现在食物链中的各个环节，本研究在现有研究的基础上，总结了MPs对作物生理指标的影响，归纳了其影响机制，探讨了MPs在土壤环境中对作物可能产生影响的因素，旨在概述MPs进入作物的方式和途径、MPs对作物的影响及MPs对人类健康的风险。

1 微塑料进入作物的途径

MPs进入作物的途径与其粒径有着显著相关性。由于作物根部孔径只有5～20 nm［5］，大尺寸的MPs只能附着在作物根部表面［6］。微纳米塑料的大小和性质使得作物吸收不能通过位于膜上的通道或转运体发生，也不能通过两膜之间的通道并置发生。因此，小尺寸MPs进入作物体内的方式主要有以下4种。

第一，胞吞作用。胞吞作用已被证明是微纳米塑料进入细胞的有效途径。胞吞是细胞将固体颗粒（如微纳米塑料）吞入吞噬体囊泡的过程。胞吞作用通常发生在免疫细胞吞噬和清除外来颗粒，但也在作物细胞中观察到。Etxeberria等［7］在用荧光标记的微纳米塑料培养12 h的无花果树细胞液泡中发现大量荧光信号亮斑，说明液泡是微纳米塑料内吞作用后的最终归宿，证实聚苯乙烯纳米球（40 nm）可以通过吞噬作用运送到中央液泡，并被培养的无花果细胞吸收。

第二，质外体运输。由于MPs比表面积较大，容易吸附在根系表面，且作物根系产生的分泌物会与MPs结合，受到蒸腾拉力的挤压发生形变，进入作物的导管系统，进而随着水流和营养流进入作物茎叶。Liu等［8］用荧光标记MPs对水稻进行水培观察，发现PS微球主要聚集在维管系统和细胞间区域；且高等作物能够通过质外体和共质体途径将纳米材料运输到维管系统［9］，表明质外体运输可能是主要途径。

第三，通过“裂缝”模式吸收。MPs通过作物新生侧根未发育完全的组织进入根部导管并传输到茎叶组织。Li等［10］在小麦和生菜的根尖分生组织中及在整个侧根冠和根尖分生组织中观察到亚微米（0.2 μm）的PS珠，认为PS珠只有通过凯氏带尚未充分发育的完整根尖部的表皮层才能进入根尖分生组织。

第四，通过叶片吸收。当作物表面存在破碎的叶片或者作物进行呼吸作用的时候，气孔会随之打开，空气中的MPs会随机降落在叶片表面。Sun等［11］的SEM测量结果表明，纳米颗粒主要出现在第7天的气孔内和气孔附近，表明气孔打开可能是纳米塑料进入维管系统的途径。

2 作物中微塑料的鉴定方法

最初采用扫描电镜（SEM）或透射电镜（TEM）来观察MPs的分布情况。Li等［10］通过SEM在生菜和小麦根部组织中发现了亚微米塑料，证实了MPs可以进入作物根部。但是由于MPs和作物原生质在成分和形态上可能存在相似之处，因此SEM很难将其区分开来，这可能导致对MPs的存在和分布产生误判［12］，并且SEM虽然可以观察到MPs在作物组织中的存在，但无法精确定位其具体位置。因此，研究人员开始通过传统荧光染料标记MPs，采用激光共聚焦显微镜（CLEM）观察MPs在作物体内的分布情况［13］，但是作物不同部位的背景荧光存在一定差异，采用单一荧光染料不能观察到作物的整体分布情况，且有的部位自身荧光背景与染料荧光存在重合， 会干扰研究人员对MPs分布的判断。使用激光共聚焦显微镜观察作物组织MPs时可以获得作物组织的三维图像并进行分析，这有助于了解MPs在作物组织中的立体分布情况以及与细胞结构的关系［8］。但是CLEM需要对作物组织进行精细切片和染色等处理，会对组织造成一定程度的损伤，且其仅用于观察静态的作物组织图像，无法观察MPs进入作物组织的动态过程。因此，有学者开始使用振动光谱法（如拉曼光谱法）观察MPs分布［14］。拉曼光谱法可以检测到无需标记的材料，且拉曼光谱对水分子干扰的抵抗能力较强，可以在一定程度上减少水分子对观察结果的影响。但是拉曼光谱在定量分析方面较困难，主要是由于拉曼光谱的信号强度与样品的性质和状态密切相关，因此需要进行严格的标准化处理和数据分析。

以上3种方法只能鉴别到微塑料的进入情况，无法确定微塑料进入组织的浓度，目前使用热裂解-气相色谱-质谱联用技术（PY-GC-MS）测定作物体内的微塑料浓度。Wang等［15］测定10 mg/L MPS水培中生菜根部MPs的含量为0.45～7.12 μg/g，且由于检测限较高，未在叶片中检测到MPs。但是使用PY-GC-MS时，样品预处理相对复杂，需要将样品进行高温裂解或化学降解，以便提取出其中的聚合物分子进行分析，并且可能会对作物组织造成一定程度的损伤。

然而，上述各方法都有其自身的缺点，目前只能在实验室中使用，不能满足自然条件下作物MPs 富集定量研究的需要。

3 微塑料对作物不同时期的影响

3.1 种子萌发期

种子萌发是作物栽培与种植的重要环节，不仅关系到作物幼苗的生长，还关系到作物的产量。MPs吸附在种子表面，一方面阻止了种子对水分的吸收，另一方面增加了种子对MPs有毒渗滤液的吸收。这不仅影响了种子萌发关键酶的活性，还延迟了胚胎和胚根生长。MPs的尺寸、浓度、形状、种类与作物种子的萌发具有显著相关性。

MPs尺寸与作物种子萌发率呈显著正相关。由于MPs比表面积较大，附着在种子孔隙表面时会形成物理阻隔而阻碍水分和养分的吸收，从而降低种子的发芽率和发芽势。但是不同粒度的作物种子对MPs的敏感程度存在一定差异。小种子物种具有更高的比表面积，可以促进作物与污染物的相互作用，而大种子的比表面积小，可以更好地保护作物免受各种污染物的污染。MPs对生菜种子萌发的抑制率达36.0%［16］，对花生种子萌发的抑制率高达125.56%［17］，而对萝卜、小麦、玉米、向日葵、谷子种子的萌发没有影响［16，18］。

MPs浓度与作物种子萌发率呈负相关。扁豆种子在不同PE微塑料浓度下展现出不同的萌发率，当MPs浓度为0、10、50、100 mg/L 时，扁豆种子发芽率分别为 83.3%、77.8%、58.3%、50.0%，发芽能力分别为80.6%、66.7%、50.0%、38.9%，且MPs与扁豆发芽率间存在剂量依赖性，在100 mg/L PE MPs浓度下观察到最低的发芽率，这可能是因为高浓度的MPs更容易导致种子气孔阻塞，无法吸收足够的水分，从而导致种子发芽率和发芽能力下降［19］。

颗粒/球团、碎片、泡沫、纤维以及薄膜MPs对作物发芽也会产生不同影响。Lozano等［20］研究了纤维、薄膜、泡沫和碎片MPs对胡萝卜发芽的影响，发现只有薄膜和纤维形状的MPs会降低种子发芽速度。这可能是由于薄膜和纤维影响土壤水分状况，从而干扰种子发芽的不同阶段。

MPs的成分和表面官能团也对作物发芽产生不同影响。高密度聚乙烯（HDPE）对小麦发芽的抑制作用最大，而PE对小麦发芽的抑制作用最小［21］。聚乳酸（PLA）和聚羟基丁酸酯（PHA）分别对大豆种子活力存在显著的促进、抑制作用，而聚氯乙烯MPs却没有影响［22］。这是由于不同种类MPs的密度不同，高密度MPs容易沉积在底部，增加了与根部表皮的接触概率，对作物种子发芽抑制率高［21］。

3.2 生长期

3.2.1 生物量 生物量对生态系统机构和功能的形成具有重要的作用，是生态系统的功能指标和获取能量能力的集中表现［23］。MPs的浓度、种类、尺寸对生物量的影响主要表现在作物的长度和质量上。

MPs浓度对作物生物量的影响。MPs附着在作物根系表面，减少了作物根部水分和营养物质的吸收，从而使得作物的长度和质量都降低。以生菜为例，生菜的生物量抑制程度与MPs浓度呈显著正相关关系；在MPs处理下所有生菜的叶片鲜重、株高和叶片数均显著降低；随着暴露时间的增加，生物量发生显著变化，在第18天时，高浓度处理下生菜的叶片和根系生物量的减少比低浓度处理下更为显著［15］。

MPs种类对作物生物量的影响。以南瓜幼苗为例，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）导致南瓜根部鲜重下降，聚氯乙烯（PVC）导致地上部鲜重下降，聚丙烯（PP）导致根部和地上部鲜重均下降，聚乙烯（PE）无显著影响，综合所有试验因素，发现PVC下南瓜幼苗生物量的减少量最大［24］。

MPs尺寸对作物生物量的影响。以菜心为例，不同尺寸的聚苯乙烯对菜心种子的根伸长、芽伸长及生物量的毒性均呈明显的剂量效应，20 μm处理下菜心的生物量抑制率大于0.07 μm处理下的生物量抑制率，说明随着MPs尺寸的增加，MPs对作物生物量的抑制率也在上升［25］。

但也有研究发现，MPs的存在会增加作物的生物量。由于作物根部在受到MPs胁迫后，进入适应阶段，根部进行压力克服的同时向更深的地方寻找水分和营养物质，从而导致作物质量更大、长度更长。以花生为例，10%高密度聚乙烯（HDPE）显著增加了根系干重，10%聚苯乙烯（PS）和聚乳酸（PLA）反而显著提高了植株高度［26］。

3.2.2 氧化应激系统 作物在遭受逆境胁迫时，体内产生的过量活性氧（ROS）导致细胞代谢失衡，对作物造成伤害。作物抗氧化系统则是为了应对该氧化应激损伤，其作用机制主要是抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT），这些酶活性水平能反映作物受外界逆境影响的程度［27］。氧化损伤已被证实是MPs引起的主要生态毒性。

MPs的剂量和尺寸导致作物发生氧化应激反应，并且物种不同，该反应的表现也不同。MPs的尺寸越小，剂量越大，其渗透能力越强，被作物吸收的机会越多，从而引起作物更强烈的氧化应激反应。以草莓幼苗为例，暴露在200 nm MPs比暴露在100 nm MPs中的草莓幼苗具有更显著的抗氧化活性，且MPs的尺寸与酶活性呈显著正相关［28］。然而黄瓜在分别接受不同尺寸的PS处理却表现出与草莓不同的情况，100 nm PS处理的黄瓜中SOD和POD活性比300 nm PS处理的黄瓜明显增加［29］。这也证实了MPs因物种差异引起的氧化应激反应不同。

抗氧化酶活性升高表示生物体内存在氧化信号，但并不能说明作物机体发生了氧化损伤。膜脂质过氧化反应是作物细胞膜受损的重要标志，丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量能直接反映作物机体的氧化损伤程度。例如，樱桃萝卜根在MPs处理组胁迫下MDA含量均有明显增加，表明MPs对樱桃萝卜根细胞造成氧化损伤，从而抑制樱桃萝卜根的生长［30］。生菜暴露于PVC后，其根部MDA含量显著高于对照，但叶片中MDA含量无显著变化，表明土壤中PVC主要对生菜根系产生氧化损伤［31］。MPs通过机械损伤和破坏抗氧化酶的三级结构对作物造成伤害。当抗氧化酶活性下降，说明氧化胁迫已经超过了酶的清除能力，从而对作物生长造成损害［31］。

3.2.3 光合系统 光合作用是作物生长必需的生理过程。MPs对作物光合作用的影响因素可分为间接影响因素和直接影响因素。当MPs尺寸太大而不能被作物吸收时，其限制作物光合作用的间接因素包括土壤性质变化、养分运输阻断、根系吸收水分能力降低和微生物群落破坏。当MPs尺寸小到足以进入作物细胞时，通过降低叶绿素含量、抑制光合能力、破坏PSⅡ供体侧、阻断不同光系统中的电子传递等方式对作物光合作用产生直接和负面影响［32］。MPs显著降低了PSⅡ反应中心的量子产率，降低了作物的光合活性。

MPs与光合作用指标有很大的相关性［33］。10%聚乙烯处理后玉米幼苗的叶面积、总叶绿素含量和光合速率分别降低了5.05%、44.98%和 65.29%［34］，生菜的气孔导度、瞬时蒸腾速率、荧光参数和Rubisco（核酮糖-1，5-二磷酸羧化加氧酶）活性也降低［35］。尽管MPs不能直接与叶细胞相互作用，但可以改变水溶性叶绿素蛋白质的晶体结构及叶绿体和类囊体结构对作物的光合作用进行干扰［36，37］。

3.2.4 作物营养品质 可溶性蛋白质和可溶性糖是作物体内维持细胞渗透势的重要物质，其含量变化与外界对作物生长发育的胁迫息息相关。MPs的浓度越高、尺寸越小，越容易进入作物体内，对作物的光合作用产生影响，从而改变可溶性糖和可溶性蛋白质的含量。MPs对作物可溶性蛋白质和可溶性糖的影响是双重的。

一方面，MPs的存在会降低作物的可溶性蛋白质和可溶性糖含量。当作物受到MPs胁迫后，MPs对作物光合系统产生了损害，从而影响作物正常代谢活动［36］，导致茎部和根部可溶性蛋白质的合成和积累受到抑制［37］。同时，MPs也改变了作物体内可溶性糖的代谢过程，影响了作物对可溶性糖的吸收和利用，导致可溶性糖含量降低［38］。

另一方面，作物会维持“内稳态”的平衡，其在受到MPs的胁迫后，会产生更多的可溶性糖和可溶性蛋白质来抵御外来胁迫，可溶性蛋白质含量的升高可能是机体抵御氧化胁迫的结果［39］。可溶性糖含量升高可能是因为MPs处理下提高了α-淀粉酶的活性，加速了淀粉粒的分解［40］。不同尺寸的MPs对作物的胁迫程度有所不同，对空心菜进行MPs胁迫发现，大尺寸的MPs增加了叶片可溶性糖含量，而小尺寸或低密度的MPs降低了叶片可溶性糖含量［41］。

3.2.5 基因表达量变化 MPs可能通过改变某些基因的表达而表现出对作物有益或有害的后果。MPs改变生菜根的基因表达，引起不同抗氧化系统相关基因的表达增加，导致根系分泌物中抗坏血酸、萜类、类黄酮和鞘脂增加［15］。在MPs处理过的洋葱样本中，cdc2基因的表达量显著降低，且呈剂量依赖性，导致作物细胞不能进行有丝分裂，而cdc2基因的表达对DNA合成后期/细胞分裂期转化至关重要，造成MPs通过下调洋葱中的基因来降低抗病能力［42］。MPs胁迫还会诱导抗氧化酶活性激活基因的下调［29］与抑制过氧化氢酶基因的相对显著表达［43］，从而降低根系中的抗氧化酶活性。MPs还会诱导水稻中负责三羧酸循环的编码蛋白基因下调，干扰水稻的光合作用［44］。

3.3 结果期

MPs的存在会降低作物产量，作物种类和品种不同，其产量受到MPs的影响也不同。MPs对不同种类作物的百粒重有不同的影响，例如聚丙烯不仅会影响子粒的饱满程度，还会降低大豆和花生的百粒重［45］。而其产量降低可能是由于MPs降低了叶绿素的含量，从而抑制光合系统中的碳同化效率；也可能是由于其阻碍了作物根部对营养物质的吸收，进而抑制了果实的生长，导致产量降低。这一假设通过宏基因组学和代谢组学分析得以证明，由于MPs通过破坏根细胞的质膜引起氧化应激反应，导致木质部导管数量的减少，进而抑制了根对 N 的吸收，抑制了作物的营养生长，从而降低产量［46］。

MPs对同一作物不同品种产量的影响也存在差异。例如，聚苯乙烯暴露对水稻品种Y900和XS123的影响试验表明，与对照相比，Y900单株产量下降10.62%，而XS123单株产量增加6.35%［44］。这可能是由于XS123亚种可以通过代谢物积累和能量转换途径对MPs暴露应激做出反应，而Y900亚种则不能。

4 通过食物链传递引起的生态风险

作物可以通过根和叶吸收 MPs，并将其转移到其他部位。在包括一些高营养级捕食者在内的许多陆生动物的胃肠道或粪便中都检测到了 MPs，食品和人类粪便中 MPs 的存在共同验证了MPs会通过营养传递进入人体中。MPs对生物体造成的风险可分为单一风险和复合风险。

MPs对生物体造成的单一风险。由于生物体直接或间接暴露在富集MPs的环境中，无论是通过呼吸或者摄食，都是MPs进入生物体的途径。虽然在食物链的营养转移过程中MPs的含量会被更高营养级的生物稀释，但其对高营养级的潜在风险不容忽视。例如，把暴露MPs的生菜喂食给蜗牛，在蜗牛的粪便和软体组织中也均检测到MPs［47］，不仅抑制了蜗牛的生长，也证实了MPs在营养转移中具有向上传递性。

MPs对生物体造成的复合风险。MPs在自然环境中会吸附污染物，形成联合污染，当联合污染进入食物链后，会对高营养级生物产生进一步的风险。例如将生菜暴露在镉与MPs的混合培养液中，随后进行了为期14 d的蜗牛喂养试验，发现MPs的存在会显著影响Cd在生物体内的积累和分布，蜗牛软组织中积累的Cd主要来源于生菜的成熟叶片，从生菜到蜗牛内脏的转移系数高达36.8%，并且蜗牛胃组织出现慢性炎症反应［48］。

根据欧洲食品安全局的欧洲食品消费综合数据库报告，成年人每天应该摄入500 g蔬菜［49］，当人体摄入受MPs污染的食物，MPs和相关污染物沿食物链向高营养级的转移会对人类健康产生负面影响。目前MPs在人体心脏［50］、胎盘［51］、血栓［52］、粪便［53］和肺组织［54］中以不同数量、形式和大小存在，但是MPs 对人体健康的影响尚无直接证据。

5 展望

首先，已有关于MPs的研究主要处于实验室模拟阶段，使得暴露浓度远高于在原始土壤环境中存在的浓度。此外，大部分研究只探究了温度（蒸腾拉力）对作物吸收MPs的影响，而忽略了其他环境因素（光照、氧气含量、水分等）对MPs在作物体内的影响。已知表面电荷、颗粒大小和形状等因素会影响陆地作物对MPs的吸收，但尚不清楚其他因素（如作物种类、生长期、温度和pH）是否也会影响陆地作物对MPs的吸收。未来，需要从多个角度系统探讨影响陆地作物吸收MPs的各种因素及其影响机制。

其次，大多数研究都使用扫描电镜和激光共聚焦显微镜来观察MPs在陆地作物中的吸收和分布。然而，陆地作物中MPs的定量检测手段仍然缺乏。MPs的定量检测和鉴定可以为研究其与陆地作物的相互作用提供有力的支持。未来，需开发一种高效、快速且高灵敏度的MPs检测方法，以快速准确地量化陆地作物中MPs的数量。

再次，大多数纳米级别的塑料研究使用的是公司商品化较为成熟的聚苯乙烯，尤其是在采用荧光观察MPs在作物体内的分布及通过荧光强度确定MPs在作物体内的浓度等研究上，但是自然界中MPs的种类是多种多样的，在土壤中由于地膜和棚膜的广泛使用，土壤环境中分布最多的通常是聚丙烯和聚乙烯。已有研究缺乏多种纳米塑料对作物的影响探究。

最后，需要注意如何通过摄入减少人类对MPs的吸收。可食用作物表面的MPs可以通过多次洗涤去除，而积累在作物内部的MPs不能被去除。最重要的是减少MPs的产生，例如减少塑料产品的使用、建立完整的回收系统或使用可降解塑料。

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