盧靈慧，王 娟，鄭 陽，查旭瓊

(嘉興學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 嘉興 314033)

0 前言

微塑料(Microplastic)是一類新型環(huán)境污染物，近年來越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1]。微塑料的定義為粒徑<5 mm的塑料顆粒[2]。因其豐度高、粒徑小、難降解、遷移距離長等特點，可能對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。在海洋和陸地上都普遍檢測到微塑料，近幾十年發(fā)表的研究表明微塑料可能對整個生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅[3-5]。與海洋相比，陸地環(huán)境容納了更多的微塑料，估計每年釋放到陸地上的塑料比海洋高出4～23倍。由于它們粒徑微小，易被生物體混淆當(dāng)作其他營養(yǎng)物質(zhì)吸收，從而進(jìn)入食物網(wǎng)并累積富集，對生物體造成危害[6]。

微塑料性質(zhì)特殊、粒徑微小，因而難以去除且易對環(huán)境造成二次污染。傳統(tǒng)的去除方法主要有消解法和密度浮選法等，目前適用于微塑料去除的新技術(shù)僅有較少幾種。光催化氧化法是在光催化劑(如氧氣和過氧化氫等)的作用下，利用光輻射導(dǎo)致半導(dǎo)體電子躍遷，從而催化氧化微塑料。生物酶解法是一種較優(yōu)的處理技術(shù)，先利用酸消解預(yù)處理微塑料，然后利用動植物和微生物的生物酶處理塑料微粒，最終將微塑料降解為水和二氧化碳等無污染物質(zhì)[7]。董明潭等[8]利用微塑料的親油性，提出采用油提取法分離提取土壤中的微塑料。實驗結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的密度浮選法，油提取法具有較高的去除率和處理效率，且適用性廣泛。

作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，農(nóng)作物的生長與土壤休憩相關(guān)，作物不可避免地會受到土壤環(huán)境中諸多因素 (包括微塑料) 的影響[9]。目前有關(guān)微塑料對農(nóng)作物種子萌發(fā)和幼苗生長等的研究仍然較少。本文旨在探討微塑料對農(nóng)作物的生態(tài)效應(yīng)，為以后評價微塑料對農(nóng)作物生長的影響提供理論依據(jù)。

1 農(nóng)田土壤中微塑料的來源

污泥的土地利用是土壤環(huán)境中微塑料的主要來源之一。污泥的土地利用是污泥主要處理途徑之一，污泥中富含有機(jī)質(zhì)和多種植物所需的無機(jī)元素(N、P、K等)，有明顯的培肥效果，所以常被當(dāng)做肥料施用到農(nóng)田中[10]。研究表明，污水處理可使污水中大部分的微塑料沉降在污泥中。由于粒徑相對微小，微塑料很難從污泥中被再次分離，因此將含有微塑料的污泥作為肥料施用到農(nóng)田中時，大量的微塑料也隨之進(jìn)入土壤環(huán)境[11]。

土壤中微塑料的來源廣泛，而流入土壤的地表水和污水灌溉是其主要來源。ZHANG等[12]研究證實了微塑料會通過地表徑流和農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)入土壤。灌溉用水主要為地下水、地表水或凈化后的污水，但凈化后的污水中仍有微塑料的存在，而微塑料無法被完全截留在污水處理系統(tǒng)主要歸因于其粒徑過小。ESTHER等[13]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，位于溫哥華的最大污水處理廠的處理設(shè)施雖然可以將97%～99%的微塑料攔截，但每年依然會檢測到有300億個左右的微塑料經(jīng)污水進(jìn)入到環(huán)境中。

大氣中的微塑料通過大氣沉降作用也可進(jìn)入土壤環(huán)境[14]。汽車的廣泛利用給人們帶來巨大便利，與此同時，汽車輪胎與地面摩擦產(chǎn)生的磨損顆粒也成為了大氣中微塑料的重要來源之一[15]。工業(yè)生產(chǎn)過程、建筑揚(yáng)塵以及垃圾填埋等過程都會產(chǎn)生大量的微塑料粉塵，這些懸浮顆粒經(jīng)大氣沉降最終進(jìn)入土壤，并隨地表徑流和生物活動等不斷遷移。

2 微塑料對農(nóng)作物的影響

植物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，植物的生長與土壤環(huán)境密切相關(guān)[16]。土壤中的微塑料對土壤的物質(zhì)循環(huán)、生物多樣性和功能多樣性均會產(chǎn)生影響，通過改變土壤環(huán)境對植物產(chǎn)生間接作用[17]。目前，只有少數(shù)研究報道了微塑料對植物生長的影響。例如，土壤中添加1%的聚乙烯和生物可降解塑料對小麥籽粒產(chǎn)量具有明顯的抑制作用[18]。將水芹種子培養(yǎng)在添加了不同濃度(103～105個/mL)和不同粒徑(50、500、4 800 nm)微塑料的營養(yǎng)液中，結(jié)果顯示微塑料對種子發(fā)芽率具有顯著抑制作用，且微塑料粒徑越大，抑制效果越明顯[19]。

連加攀等[20]進(jìn)行的微塑料對小麥種子影響實驗中，選取三種微塑料[乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)]和小麥種子作為實驗對象。結(jié)果顯示，三種微塑料對種子發(fā)芽率的影響呈“高促低抑”的規(guī)律，而對種子生長呈現(xiàn)“低促中抑高恢復(fù)”的規(guī)律。此外，微塑料的種類和含量也會影響小麥的根長和芽長等性狀。

已有研究表明，微塑料可以直接被作物積累和轉(zhuǎn)運。煙草細(xì)胞培養(yǎng)實驗結(jié)果表明，小粒徑塑料可被植物細(xì)胞吸收進(jìn)入體內(nèi)，隨運輸系統(tǒng)遷移并積聚在植物體內(nèi)從而進(jìn)入食物鏈，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成威脅[21]。李連禎等[22]借助激光共聚焦顯微鏡及掃描電子顯微鏡，觀察兩種不同熒光標(biāo)記的聚苯乙烯塑料微球在生菜體內(nèi)的吸收和分布情況。結(jié)果表明微米級塑料微球不能被植物吸收，亞微米級塑料微球可被植物吸收、轉(zhuǎn)運和積累。通過電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，生菜根部積聚了大量聚苯乙烯微球，微球還可隨植物蒸騰作用和營養(yǎng)運輸從根部轉(zhuǎn)移到莖葉等上部器官。微塑料不僅可以被植物吸收，也對植物生長和性狀造成一定的影響，但從土壤運輸?shù)街参锟墒巢糠值奈⑺芰吓c從大氣沉積或污水灌溉直接沉積到植株嫩芽上的微塑料之間的差異尚不清楚。

馮雪瑩等[23]對不同種類、不同粒徑、不同濃度的微塑料對不同物種的毒理效應(yīng)進(jìn)行了歸納。微塑料對農(nóng)作物的影響具有物種廣泛性，如小麥、菜豆、蠶豆等這些常見的農(nóng)作物，實驗多項生物指標(biāo)表明它們均會受到微塑料的影響。微塑料會對小麥種子的發(fā)芽率、生物總量、結(jié)實量和根莖葉產(chǎn)生影響，且粒徑越小影響效果越明顯，濃度水平上大致呈現(xiàn)“低促中抑高恢復(fù)”的規(guī)律。微塑料對蔥的生長具有一定的促進(jìn)作用，主要表現(xiàn)在總生物量的增加及根系的平均直徑增長等方面。微塑料會改變蠶豆的生物酶活性，納米級塑料微粒還可對蠶豆的有絲分裂過程產(chǎn)生一定影響。適宜的微塑料粒徑和濃度可促進(jìn)胡蘿卜和黑麥草生物量的積累和根系的生長，低中濃度微塑料對玉米無顯著影響，高濃度微塑料會降低玉米生物量。

3 微塑料對農(nóng)作物的影響機(jī)制

3.1 孔洞阻塞

根系是植物重要的營養(yǎng)器官，具有吸收、合成和轉(zhuǎn)運作用，根系的健康是植物正常生長的保障。土壤中的水、二氧化碳和無機(jī)鹽類需通過根系孔洞才可被植物吸收轉(zhuǎn)化利用，在根系多種酶的作用下合成多種氨基酸，并通過體內(nèi)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)供機(jī)體使用。植物細(xì)胞壁孔洞為5～50 nm，介于此粒徑的微塑料更容易吸附在種子表皮或根系細(xì)胞壁孔洞，影響種子發(fā)芽，根系阻塞會嚴(yán)重影響植物對土壤中水分及養(yǎng)分的吸收和運輸，限制植物生長[23]。

3.2 生理生化影響

葉綠素是植物光合作用必需的色素，高等植物葉綠素主要為葉綠素a和葉綠素b兩種，它們在植物的生長代謝過程中不斷進(jìn)行合成和分解。在一定程度上，兩種葉綠素的含量變化可反映植物的生長狀況[24]。在不同的微塑料濃度下，葉綠素的含量總體呈現(xiàn)“低抑制、中高恢復(fù)”趨勢[25]。植物抗氧化能力的強(qiáng)弱體現(xiàn)了其受外界逆境影響的程度。微塑料對抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性以及膜質(zhì)過氧化物丙二醛(MDA)和細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性蛋白)含量均造成了一定程度的影響[26]。

3.3 毒理作用

許多研究表明，微塑料具有生態(tài)毒理作用，可直接對植物產(chǎn)生生態(tài)毒性和遺傳毒性。在塑料生產(chǎn)過程中添加的各種添加劑，提高了塑料的耐熱性和耐腐蝕性，這些添加劑不會永久附著在塑料聚合物上，隨著時間的推移，它們會從微塑料釋放到環(huán)境中。大多數(shù)的添加劑都是有劇毒的，不同種類和功能的微塑料含有不同的添加劑，可以向環(huán)境中釋放不同的增塑劑，進(jìn)而對農(nóng)作物產(chǎn)生不同的毒理作用。使用塑料薄膜的地區(qū)土壤中塑料添加劑的濃度較高。這一發(fā)現(xiàn)表明塑料產(chǎn)品可以向土壤環(huán)境釋放增塑劑，對農(nóng)作物產(chǎn)生毒害作用，進(jìn)而對土壤生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅，而且有潛在的沿生物鏈富集的風(fēng)險。

3.4 間接效應(yīng)

微塑料改變土壤理化性質(zhì)以及微生物多樣性間接影響植物生長。微塑料粒徑小而難降解，進(jìn)入土壤后會持續(xù)遷移滲透，影響土壤孔隙度和持水量等土壤的物理性質(zhì)。微塑料的存在還會對土壤酶活性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響土壤有機(jī)質(zhì)含量，具有改善土壤微環(huán)境的潛力[27]。微塑料本身比表面積大等物理化學(xué)特性使其容易吸附疏水性、持久性有機(jī)污染物并發(fā)生富集，如DDT、六氯苯、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴等，這些污染物具有持久性和生物毒性，可進(jìn)一步產(chǎn)生更高的復(fù)合毒性，對農(nóng)作物構(gòu)成更嚴(yán)重的威脅。微塑料影響土壤生物的生存和繁殖，微塑料被蚯蚓吞食后會對其腸道系統(tǒng)及其他組織器官產(chǎn)生影響[28]。微塑料還會影響跳蟲活動及蠕蟲繁殖等，改變土壤微生物多樣性，對農(nóng)作物生長產(chǎn)生間接影響[29-30]。

4 未來研究展望

微塑料對農(nóng)田土壤的污染問題已成為一個重要的環(huán)境問題。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的來源已有研究, 但缺少更為精確的數(shù)據(jù)，這對土壤微塑料研究和污染防治具有重要意義。現(xiàn)有微塑料的分離和檢測方法較少且在高效性和統(tǒng)一性方面存在欠缺，在微塑料研究過程中采用的方法不同，會大大降低不同研究之間的可比性，所以分離和檢測方法有待標(biāo)準(zhǔn)化。微塑料在遷移過程中會吸附土壤中的有毒有害物質(zhì)，產(chǎn)生復(fù)合污染并繼續(xù)遷移轉(zhuǎn)化，其對農(nóng)作物生長的影響還有待進(jìn)一步系統(tǒng)性研究，微塑料攜帶的有毒污染物與微塑料結(jié)合和釋放的機(jī)理也尚未十分清楚。

綜上所述，今后關(guān)于微塑料與農(nóng)作物間的交互作用研究亟待深入開展。例如，微塑料的來源；更高效統(tǒng)一的微塑料分離和檢測技術(shù)；微塑料對農(nóng)作物產(chǎn)生的復(fù)合生態(tài)效應(yīng)；微塑料毒害物質(zhì)的釋放機(jī)理。