土壤中微塑料污染及处理技术综述

2024-12-20 00:00:00陈占杨旅刘海龙王洪涛李天鹏崔红标
安徽农业科学 2024年23期

摘要 微塑料作为一种小尺寸的塑料废弃物,其直径普遍小于5 mm,并且在自然界中极难被降解。针对土壤中的微塑料污染及处理方法展开讨论,从微塑料的来源和污染现状入手,对土壤环境的微塑料来源的复杂性和污染的严重性做了详细阐述。探讨了土壤中的微塑料对土壤中动植物、微生物的潜在影响,如对土壤动植物的生长代谢、微生物的活性以及生物多样性产生不良影响。总结了土壤中微塑料的治理技术及优缺点,并对土壤中微塑料的处理技术面临的挑战及未来研究方向进行了展望,为土壤生态系统的可持续发展贡献力量。

关键词 土壤污染;微塑料;生态影响;处理方法;未来展望

中图分类号 X 705 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2024)23-0016-04

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2024.23.004

Review of Microplastic Pollution and Its Treatment Technology in Soil

CHEN Zhan1,YANG Lü1,LIU Hai-long2 et al

(1.School of City and Architecture Engineering,Zaozhuang University,Zaozhuang,Shandong 277160;2.School of Environmental Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225127)

Abstract As a small-sized plastic waste,microplastics are generally less than 5 mm in diameter and are extremely difficult to degrade in nature.In this paper,microplastic pollution in soil and its treatment methods were discussed.Starting from the source and pollution status of microplastics,the complexity of the source of microplastics in soil environment and the severity of pollution were elaborated.The potential effects of microplastics in soil on plants,animals and microorganisms in soil were discussed,such as adverse effects on the growth and metabolism of soil plants and animals,microbial activity and biodiversity.The paper summarized the treatment technologies of microplastics in soil,their advantages and disadvantages,and prospected the challenges and future research directions of the treatment technologies of microplastics in soil,so as to contribute to the sustainable development of soil ecosystem.

Key words Soil pollution;Microplastics;Ecological impact;Treatment method;Future outlook

基金项目 山东省自然科学基金青年项目(ZR2021QE271)。

作者简介 陈占(1989—),男,山东滕州人,讲师,博士,从事城镇固体废物处理及资源化研究。

收稿日期 2024-01-12

塑料在过去几十年里成为全球工业和日常生活中不可或缺的材料,工业化和城市化的加速推动了塑料需求的迅速增长。与此同时,各种各样被称为“微塑料”的超小且不易分解的塑料残骸也随之大量产生,散布在地球的每一个角落。这种经历时间堆积而形成的微塑料污染已经引发了全球范围内的广泛关注,甚至可以说是一种新的环境危机[1]。尤其在土地开发频繁的农村地区,大量且精细的塑料垃圾被随机填埋,严重破坏了生态平衡和人类生存环境。

1 微塑料的来源与污染现状

微塑料作为一种小尺寸的塑料废弃物,其直径普遍小于5 mm,并且在自然界中极难被降解[2]。关于微塑料的研究主要集中在海水、淡水和近海水体中,而关于陆地生态系统中微塑料的研究相对较少[3]。

陆地生态系统中微塑料主要来源于工业排放[4-5]、农业使用[6]、城市生活垃圾填埋场[7]。工业排放方面,塑料制品的生产和加工过程中,难免产生一定量的微塑料颗粒。农业使用方面,农田中的塑料薄膜和地膜等农用塑料制品在土壤中的残留,农作物残渣中的塑料颗粒等成为微塑料的重要来源。城市生活垃圾中,塑料袋、塑料包装等废弃物经过风吹、雨淋等自然作用,破碎成微塑料颗粒,进入土壤环境。此外,地表径流和农田灌溉[8]、悬浮颗粒的大气沉降[9]、废水污泥和堆肥的有机肥料[10-11]等也存在一定含量的微塑料。大量的微塑料进入土壤后,会与土壤颗粒、微生物等相互作用,改变土壤结构、理化性质,导致污染物在土壤中迁移和积累,进而破坏土壤生态系统[8,12-13]。

土壤中微塑料形态以纤维、颗粒、碎片和薄膜为主,其组成主要以聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯为主[14]。全球受微塑料污染的土壤类型以农田土壤、污泥灌溉土壤以及薄膜种植土壤等为主,其中施用污泥和温室种植土壤微塑料的丰度较高且尺寸较小。工业区土壤中微塑料丰度较高,这是因为生产塑料或塑料加工过程中释放小粒径颗粒及碎片沉降。Scheurer等[15]报道瑞士土壤中微塑料丰度低于398个/kg。Kim等[16]指出,韩国温室种植土壤均已检测到聚苯乙烯、聚乙烯2种微塑料聚合物,形态有碎片、薄膜和纤维,温室内0~5 cm表层土壤中丰度为(1 880±1 563)片/kg。Huerta等[3]对墨西哥郊区的花园土壤调查研究中检测到微塑料平均丰度为870个/kg,粒径为0.01~1.00 mm。Vollertsen等[17]研究了丹麦污水污泥施用对农业土壤中微塑料的影响,结果发现施用污泥的土壤中微塑料的丰度为82 000(0~165 000)个/kg。在我国,不同地区、不同类型的土壤都具有不同程度的微塑料污染,粒径和丰度大小随土壤深度变化而变化。土壤中微塑料的丰度总体上呈现出不均衡、区域性强等特点。例如:在中部地区,土壤中微塑料的丰度为2.2×104~6.9×105个/kg[18];在东部沿岸,土壤微塑料的浓度为1.3~14 712.5个/kg[19];在东北,辽河流域土壤中微(中)塑料的丰度范围在(13.33±11.55)~(886.67±133.17)个 /kg[20];在西北地区,Yu等[21]调查了77个农用地膜覆盖农田的微塑料丰度,以薄膜、碎片状微塑料为主,平均丰度为12 589片/kg,低于0.5 mm的微塑料占比93.3%。由此可见,微塑料污染已经遍布我国各地区,涉及各种类型的土壤,土壤微塑料污染问题已迫在眉睫,亟待解决。

2 土壤中微塑料的潜在影响

与水环境和大气环境相比,土壤中物质的转移更为缓慢,微塑料在土壤环境中更容易积累。随着时间的推移,微塑料会不可避免地对土壤物理、化学和生物学特性产生影响,从而打破土壤环境原有的生态平衡,对土壤生态功能产生影响[22]。微塑料对土壤生态系统的影响是一个复杂而多层次的过程,微塑料对土壤和生物的长期活动带来了显著影响,可能造成水源问题甚至对动植物、微生物以及人类的健康产生深远影响。

2.1 土壤中微塑料对动植物的影响

2.1.1 土壤中微塑料对植物的影响。

植物作为土壤生态系统的重要组成部分,其根系与土壤紧密交互。植物根系可能吸收土壤中的微塑料颗粒,从而导致植物体内微塑料的积累。

目前已有研究报道了微塑料对小麦[23]、玉米[24]、黑麦草[25]、大豆[26]、豌豆[27]等陆生植物的作用,表明土壤微塑料的存在可以延缓植物种子的发芽时间、降低发芽率及幼苗成活率,并能显著改变植物的生物量及根系性状。李连祯等[28]报道了食用蔬菜能够吸收和积累微塑料。土壤中的微塑料会破坏土壤结构,阻碍植物吸收水分和养分,造成土壤表面干燥开裂,从而影响植物的生长和产量[8]。安菁等[26]通过盆栽试验研究了土壤微塑料残留对大豆幼苗生长及生理生化特征的影响,结果表明微塑料残留量较高时,会一定程度上阻碍大豆幼苗的生长,影响植株的叶面积、株高、根系活力等各项生理生化指标。有些植物可能对微塑料更为敏感,而其他植物可能表现出一定的耐受性。De Souza Machado等[29]研究表明,存在高密度聚乙烯的情况下,植物根部的生物量更大。可见,微塑料对植物的影响是复杂的、多样的[30]。

2.1.2 土壤中微塑料对土壤动物的影响。

微塑料的表面特性和疏水性使其可以作为有机物和重金属的优良载体,吸附了有机物或重金属的微塑料在进入动物体内后会发生脱附而被其吸收,甚至可能发生作用机制和毒性效应的改变[31-32]。

土壤中微塑料对动物生态毒理效应的研究主要集中在蚯蚓、线虫以及小鼠[33],其中蚯蚓是土壤生态系统中最常见的大型土壤动物之一,同时也是目前研究土壤微塑料污染生态效应最常用的模式生物[34]。Browne等[35]发现聚氯乙烯微塑料可携带有机污染物转移入蚯蚓肠道组织,并引发蚯蚓对病菌的抵抗力下降、炎症、死亡等毒理效应。Rillig等[36]发现,进入土壤中的微塑料可以被蚯蚓摄取,将微塑料颗粒从表层土壤迁移到深层土壤,并在生物体内富集,进一步促进了微塑料在土壤环境中的迁移转化和降解。线虫是土壤中最具代表性的小型土壤动物之一,微塑料还可以穿透线虫的肠道壁被运输到其他组织和细胞,引起氧化应激反应,并影响某些基因的表达。Lei等[37]将线虫暴露于浓度1 mg/L、粒径0.1~5.0 μm聚苯乙烯微塑料的液体培养基中3 d,发现线虫的存活率、体长以及繁殖率显著下降,且粒径越小的微塑料毒性越强。

2.2 土壤中微塑料对土壤微生物的影响

微生物群落结构和丰度的改变,可以直接表现在土壤酶活性的变化上。塑料膜残留物会显著影响土壤中的酶活性和微生物功能多样性。同样地,微生物及酶活性等的变化也将反过来加剧土壤理化性质的变化,进而影响土壤重要的生态学功能[13]。

2.2.1 微塑料对土壤微生物的直接影响。

土壤中微生物是土壤生态系统中的关键组成部分,参与有机物分解、养分循环等关键生态过程。微塑料的存在可能改变微生物群落结构,干扰微生物功能基因[38],进而影响微生物的多样性和丰度;有些微塑料的存在会增加能够降解复杂有机物的微生物量。Zhang等[39]调查了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)微塑料颗粒对沉积物中微生物群落的影响,结果表明PET微塑料的添加增加了沉积物中总有机碳(TOC)的含量,改变了微生物的多样性,增加了腐霉科微生物降解复杂有机物的能力。而聚乙烯微塑料可能干扰微生物功能基因,Yu等[40]调查发现,聚乙烯微塑料会改变水稻土的微生物功能基因丰度,增加氮氧化物的排放。

2.2.2 微塑料对土壤微生物的间接影响。

土壤酶活性是土壤微生物活动的重要指标之一,也是土壤生态系统功能的关键驱动因素。微塑料通过改变土壤性质和直接吸附抑制土壤胞外酶活性,进而影响有机物的分解和养分的释放[41]。Liu等[42]调查分析了非生物降解塑料对土壤呼吸及其酶活性的影响,发现不同类型的微塑料对土壤酶活性的影响程度不同,与塑料类型、浓度、尺寸以及暴露周期等因素相关。聚丙烯微塑料的添加使土壤呼吸和酶活性分别提高了58.8%和10.2%;而聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯和聚苯乙烯塑料分别使土壤酶活性降低13.0%、6.8%和5.0%。

微塑料对土壤酶活性的影响,引起了土壤生态功能和健康的一系列连锁效应,对整体土壤生态系统产生深远的影响。鉴于微生物在土壤生态系统的重要作用,有关微塑料对微生物的影响机制还需要更加深入地研究。

2.3 土壤中微塑料对人类健康的影响

土壤环境中的微塑料会被动植物、微生物吸收和积累,进而通过食物链转移。Huerta Lwanga等[43]调查了微塑料在家庭花园土壤-蚯蚓-鸡的食物链,发现土壤、蚯蚓粪、鸡粪和鸡胃中均检测到微塑料的存在,证实了微塑料可以通过食物链富集在蚯蚓粪及鸡粪。Carlin等[44]发现,鱼鹰等猛禽胃肠道中也含有微塑料,且以纤维类型微塑料居多,人类通过食物链(网)摄入这些微塑料后可能会对人体健康造成不利的影响。Ibrahim等[45]研究发现,在成年人粪便和结肠切除标本中检测到了微塑料,证实微塑料可以被人类摄食。关于微塑料对人类各器官、脏器的毒性作用机理,还需要根据微塑料的种类、粒径大小以及浓度等因素进行更加详细的调查研究。

3 土壤中微塑料的处理方法

微塑料作为一种固体废弃物,基于固体废物处理的“三R”原则,首先,应该加强塑料废弃物的分类管理,减少塑料废弃物的源头排放。其次,采取合理的方式对其进行回收和再利用。最后,对于有毒害的微塑料还需要采取必要的措施对其进行无害化处理,实现资源化应用。

土壤中微塑料的处理技术是一个复杂而又重要的问题,它涉及环境保护、人类健康等方面。为了解决这个问题,需要综合考虑微塑料的形状、大小、密度等物理特性,以及化学组成等因素。如果微塑料的物理特性不合适或者微塑料中含有有毒物质,可能会导致处理过程中的效率降低或者采取更加严格的措施,以避免处理过程中对环境造成二次污染。因此,在选择处理技术时需要综合考虑成本和效果之间的平衡。目前,常用的处理微塑料的方法有物理方法、化学方法和生物方法。

3.1 物理方法 包括土壤深翻、过滤和分离等,以清除土壤中的塑料颗粒。通过利用微塑料和土壤颗粒尺寸、密度和形状等特性的差异,可以采用合适的物理分离技术将微塑料与土壤分离。微塑料与土壤颗粒的分离技术主要有筛分法、密度分离法、静电分选法、泡沫浮选法、磁性分离法、油提法和加压流体萃取法等[46],目前应用较多的分离方法有筛分法和密度分离法。筛分法是利用土壤与微塑料颗粒的粒径的不同进行分离微塑料的方法,是土壤中微塑料分离的初始步骤,可以在一定程度上简化微塑料的分析检测。密度分离法利用微塑料与土壤的密度差异达到微塑料与土壤颗粒快速分离的目的[47]。经过筛分和密度分离操作,可以将微塑料颗粒从土壤中分离出来,从而减少微塑料对土壤生态的影响。传统物理方法操作简单且分离效果较好。而新兴的加压流体萃取法自动化程度高、成本低、效率高,有较好的发展前景,但可能会改变微塑料的形态,从而影响后续的形态信息表征[48]。

3.2 化学方法 包括化学试剂分离、化学氧化分解。化学试剂分离又有溶剂浸提和浮选等,Liu等[49]开发了一种利用NaBr循环提取土壤中微塑料的技术,回收效率在85%~100%。Li等[50]也设计了一种常用而且易于组装的装置,在NaBr溶液中浮选土壤中可降解/不可降解的微塑料,发现尽管颗粒大小和密度存在差异,但对于可生物降解和不可降解的微塑料,该装置均表现出良好的提取精度,在很大的颗粒密度和尺寸范围内,回收率从92%到99.6%不等。Han等[51]利用饱和的NaCl和NaI溶液作为浮选药剂对土壤及其沉积物中的微塑料进行分离,结果表明将200 g干土壤置于1.3 L体积比1∶1的饱和的NaCl和NaI溶液中,聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯的平均回收率分别为(92.0±11.7)%、(78.0±16.0)%、(100.0±0)%和(98.0±4.0)%。化学氧化是采用强氧化剂或还原剂改变微塑料颗粒的结构和化学性质,从而使其分解为无害或低毒物质。化学方法处理过程中因化学试剂的使用可能产生有毒有害副产物,对环境和人体健康造成危害,未来合成无毒害的化学浸提剂是分离微塑料的关键。

3.3 生物方法 包括微生物降解和植物修复,微生物降解是通过特定微生物将微塑料降解,降解的过程分为4个阶段:变质、解聚、同化以及矿化。然而,特定的微生物往往需要进行培养或分离筛选[52]。Auta等[53]以含有不同微塑料聚合物作为唯一碳源的合成培养基,从马来西亚半岛红树林生态系统筛选分离出2株降解微塑料的芽孢杆菌菌株;Park等[54]以从垃圾填埋场分离的混合微生物群落的细菌菌群生物降解微聚乙烯颗粒。此方法具有专一性和高效性,而且环境友好、成本较低,但生物降解性能受微生物种类、微塑料性质、筛选和培养条件以及土壤等因素的影响[55]。此外,微塑料与有机物在土壤中的作用规律,以及多种微塑料难以同时降解等问题还需要深入探究。

植物修复是利用植物吸收和分解能力来减少土壤中微塑料的含量,植物具有吸附微塑料颗粒的能力,可以将微塑料吸附在根系或茎叶表面[56]。同时,植物的根系分泌的酶类物质可以降解微塑料,将其转化为无害物质。因此,通过种植具有吸附和分解微塑料能力的植物,可以有效减少土壤中的微塑料含量,但适用范围有限。

各种处理方法在去除微塑料方面具有一定的效果,但单一方法难以实现完全去除。综合处理技术是将物理、化学和生物方法结合,以提高微塑料污染治理的效果。例如,将物理分离和化学处理相结合,能够更全面地去除土壤中的微塑料,同时减小对土壤生态系统的不良影响,实现微塑料的高效去除和资源化利用。

4 土壤中微塑料的处理技术面临的挑战及未来研究方向

不同类型的微塑料在土壤中的行为和影响各异,微塑料的多样性和复杂性是微塑料治理过程中面临的最主要的挑战。因此,基于不同类型的微塑料制定合理的治理策略是一项复杂而紧迫的任务。加强土壤中微塑料污染的监测技术研究是处理过程中的另一个挑战。可靠的监测手段可为污染治理提供科学依据和技术支持,当前的检测技术还需要不断改进,以满足治理效果的实时监控需求。

针对土壤中微塑料污染问题,未来的科学研究应更多关注微塑料的污染状况(包括浓度、类型、有害元素的毒性及毒性机理等)以及微塑料与土壤生态系统的相互作用机制等多个重要方向。同时加强不同学科、不同领域间的合作,强化多学科交叉融合,探索土壤中微塑料污染治理的新方法和新策略,研发高效、环保、低成本的处理技术,推进治理技术的创新和完善,加快研究成果的落地转化。

5 结语

土壤中微塑料的污染已经成为全球环境科学研究的热点。对微塑料的来源、污染现状,微塑料对土壤生态环境的影响,土壤中微塑料的治理技术以及土壤中微塑料的处理技术面临的挑战及未来研究方向进行了综述。由此可知,尽管在土壤微塑料的研究已经取得了一定进展,但仍需全人类共同努力,有效解决和减缓土壤微塑料的污染及其对土壤环境和人类健康的潜在威胁,为共建一个清洁健康的土壤生态贡献力量。

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