陳穎熙,吳芮庭,廖新俤,邢斯程

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510642)

農(nóng)用土壤的安全性越來越受到眾多學(xué)者的關(guān)注，這是由于大量研究證實(shí)農(nóng)用土壤被污染后會(huì)影響農(nóng)作物的食品安全性。我國農(nóng)用土壤污染物，主要以鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳等重金屬無機(jī)污染物和六六六、滴滴涕、多環(huán)芳烴3類有機(jī)污染物為主，抗生素污染也是近些年來備受關(guān)注的污染物。這些污染物，例如銅、鋅、抗生素可通過畜禽糞便源的有機(jī)肥施用進(jìn)入農(nóng)用土壤。在國家倡導(dǎo)畜禽糞污資源化利用的背景下，農(nóng)用土壤中的重金屬及抗生素污染防治問題一直是研究熱門話題，然而新近研究表明土壤中的微塑料可作為吸附劑、載體與抗生素和重金屬復(fù)合作用，探究該復(fù)合作用對土壤、土壤生物、微生物及農(nóng)作物的影響將對農(nóng)用土壤的污染防治提供指導(dǎo)及參考。

本文結(jié)合國內(nèi)外的研究進(jìn)展，從復(fù)合污染對農(nóng)用土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的視角出發(fā)，探討微塑料、抗生素、重金屬三種環(huán)境污染物復(fù)合作用對環(huán)境的影響，并提出未來可能的研究方向。土壤微塑料與抗生素和重金屬在土壤中的復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)探究，將對存在微塑料污染的農(nóng)田土壤進(jìn)行種養(yǎng)結(jié)合時(shí)，為如何消除微塑料、抗生素和重金屬的污染影響效應(yīng)提供參考。

1 土壤中微塑料污染

塑料因其低成本，易于制造，防水和耐用等特點(diǎn)在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用，例如在農(nóng)業(yè)，制藥業(yè)，化妝品，汽車工業(yè)，鞋類，電子設(shè)備等領(lǐng)域。然而統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，由此產(chǎn)生的塑料廢棄物只有9%被回收，不少于79%的塑料被填埋或者遺棄在自然界中，造成了微塑料污染。微塑料是指直徑小于 5 mm 的塑料顆粒，是一種新型環(huán)境污染物，根據(jù)形態(tài)又可以分為球形顆粒、薄膜、碎片和纖維，由于其粒徑小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，自然降解速度慢的原因，極易在食物鏈中累積。

分布廣是微塑料的特質(zhì)，其廣泛分布于土壤、海洋、河流、大氣等自然環(huán)境中。本文對水生環(huán)境和土壤環(huán)境中微塑料污染情況做了一個(gè)簡要的對比，發(fā)現(xiàn)土壤中微塑料的污染情況并不輕于廣受關(guān)注的水生環(huán)境，對于水域及土壤系統(tǒng)方面微塑料污染狀況的調(diào)研檢測見表1。有學(xué)者通過對比近年來文獻(xiàn)發(fā)表情況發(fā)現(xiàn)，海洋環(huán)境的微塑料污染最受科學(xué)家們的關(guān)注，土壤環(huán)境微塑料污染方面的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量不及水域系統(tǒng)的一半。然而實(shí)際情況表明，土壤微塑料污染的情況可能更加嚴(yán)峻，土壤中微塑料的來源更為廣泛，并且來源量也相對較大，其來源主要包括：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)(農(nóng)膜的使用、土壤改良劑的添加及污水灌溉)、工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、城市建設(shè)、大氣沉降、汽車輪胎磨損等。對于農(nóng)田土壤，除了塑料膜的使用及回收率低是造成土壤微塑料的主要方式外，污泥作為肥料施用至農(nóng)田也是土壤微塑料來源之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)估，僅通過污泥施用便可以每年向歐洲和北美農(nóng)田分別投入6.3～4.3 t和4.4～30 t的微塑料，已經(jīng)超過了目前估計(jì)全球海洋地表水中存在的9.3×10t至23.6×10t的微塑料總量。Zhang等對我國西南片區(qū)的農(nóng)用土壤中的微塑料污染狀況做了調(diào)研，結(jié)果顯示土壤中纖維狀微塑料占比最高，達(dá)到92.1%，其次是碎片、薄膜和線分別占4.1%、3.7%和0.2%，所有調(diào)研土壤微塑料的平均含量為18760顆/kg。

表1 不同地區(qū)土壤及水域系統(tǒng)微塑料豐度情況Table 1 Abundance of microplastics in soil and water systems in different regions

農(nóng)田土壤是微塑料重要的環(huán)境儲庫。塑料對農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響包括對土壤理化性質(zhì)的影響和對土壤生物的影響。研究發(fā)現(xiàn)，向土壤添加微塑料會(huì)刺激土壤酶的活性，提高有機(jī)碳，氮和磷的活性，并且有利于有機(jī)碳，氮和磷的積累，通過對土壤溶解有機(jī)物和酶的影響改變土壤理化性質(zhì)，微塑料含量越高影響越明顯。微塑料會(huì)對土壤生物體的正常生理活動(dòng)造成影響，例如能量代謝紊亂、膽堿酯酶活性改變、氧化應(yīng)激和損傷，其效果取決于微塑料的大小和劑量，和它們與其他異源生物的相互作用。以蚯蚓為例，微塑料通過攝食進(jìn)入蚯蚓體內(nèi)后，對其生長繁殖，進(jìn)食排泄都有顯著影響，且微塑料不斷在體內(nèi)累積有沿著食物鏈傳播給其他動(dòng)物的風(fēng)險(xiǎn)。植物方面，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微塑料對小麥根莖生長、光合作用、酶活性都有一定程度的抑制。農(nóng)田土壤中，蚯蚓可以通過自身取食，掘穴相關(guān)的活動(dòng)改變土壤性質(zhì)，從而影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)和轉(zhuǎn)化，以此促進(jìn)農(nóng)作物的生長和土壤健康，微塑料的出現(xiàn)打亂了蚯蚓-土壤-植物之間的生態(tài)協(xié)作，對農(nóng)作物的高效種植及經(jīng)濟(jì)效益存在潛在風(fēng)險(xiǎn)和危害。

除了微塑料自身對土壤帶來的影響外，微塑料負(fù)載物的影響也不容忽視。微塑料比表面積和疏水性大，對土壤中的許多污染物都具有吸附作用，例如有機(jī)污染物(鄰苯二甲酸酯類、多環(huán)芳烴等)、重金屬、抗生素等。微塑料的吸附作用包括物理吸附和化學(xué)吸附，吸附作用與其自身特性有關(guān)，如材質(zhì)、比表面積、表面吸附位點(diǎn)的量、疏水性。已有諸多文獻(xiàn)表明，微塑料吸附抗生素和重金屬，成為了這些污染物的載體，對環(huán)境產(chǎn)生復(fù)合污染。微塑料上吸附污染物的生態(tài)毒理效應(yīng)研究已廣泛開展，但當(dāng)這些污染物負(fù)載在微塑料上時(shí)，其效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生哪些變化，微塑料與負(fù)載污染物在吸附行為與復(fù)合作用下的效應(yīng)機(jī)理以及對其毒性的影響值得進(jìn)一步的研究。

2 農(nóng)用土壤微塑料相關(guān)的復(fù)合污染

微塑料、抗生素、重金屬在農(nóng)用土壤中廣泛存在，這三種污染物在水體環(huán)境中已被證實(shí)存在相互復(fù)合及影響的可能，由于畜禽糞污源有機(jī)肥的資源化利用，使得抗生素、重金屬與微塑料在土壤中同時(shí)存在，但相關(guān)研究還處于起步階段，三者復(fù)合污染的危害效應(yīng)仍值得進(jìn)一步探究。

2.1 微塑料與抗生素的復(fù)合污染

微塑料對各類抗生素存在廣泛的吸附行為，這是由于微塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。過往研究探究了微塑料存在下對抗生素的污染效應(yīng)的影響，而這方面的研究最早也最多在水體環(huán)境下開展。

姜航等研究結(jié)果顯示，聚苯乙烯和抗生素的聯(lián)合暴露對斜生柵藻的生長和各項(xiàng)指標(biāo)具有顯著的抑制作用，但單一暴露和二者聯(lián)合暴露的抑制效果并沒有顯著性差異，對于大型溞來說，聯(lián)合暴露會(huì)對其超氧化物歧化酶(SOD)活性產(chǎn)生相加作用，對過氧化氫酶(CAT) 活性產(chǎn)生輕微的協(xié)同作用。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)接觸羅紅霉素相比，微塑料可增強(qiáng)羅紅霉素在魚類組織中的生物積累，暴露14 d后微塑料的存在減輕了羅紅霉素帶來的神經(jīng)毒性和氧化損傷。

農(nóng)田土壤中微塑料與抗生素的復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)及污染效應(yīng)對土壤生態(tài)的影響研究目前較少，早期有研究證實(shí)土壤中微塑料對抗生素的吸附作用受pH、離子濃度、富里酸濃度、抗生素和微塑料種類的影響。Sun等研究發(fā)現(xiàn)，在溫室土壤中微塑料的存在顯著降低了四環(huán)素類抗生素的降解效率，同時(shí)也降低了細(xì)菌與噬菌體攜帶的抗性基因(ARGs)的消除速率，但是研究并沒有探究微塑料的種類及形狀對溫室農(nóng)用土壤中抗生素、耐藥基因的影響區(qū)別，在現(xiàn)實(shí)農(nóng)用土壤中微塑料的形狀以纖維居多。另外有研究發(fā)現(xiàn)，攝入載有磺胺甲惡唑的聚苯乙烯會(huì)大大改變土壤跳蟲的腸道菌群，抗生素抗性基因的分布以及組織中的同位素分布，與單獨(dú)暴露于聚苯乙烯的對照組相比，抗性基因和移動(dòng)遺傳元件的豐度顯著升高。Ma等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過聚苯乙烯和四環(huán)素共同暴露14 d后，隱孢子蟲中抗性基因豐度和多樣性顯著增加，在終止暴露后影響仍然存在。微塑料和四環(huán)素對土壤環(huán)境中隱孢子蟲的微生物群落有明顯的干擾作用，降低了微生物α多樣性，但單獨(dú)使用與聯(lián)合暴露處理對比無顯著差異，且聯(lián)合處理組隱孢子蟲體內(nèi)四環(huán)素積聚與單獨(dú)四環(huán)素處理組相比也無明顯差異，表明四環(huán)素和微塑料聯(lián)合暴露對隱孢子蟲的微生物多樣性和體內(nèi)四環(huán)素積聚沒有產(chǎn)生毒性協(xié)同作用。這些研究加深了對于土壤微塑料和抗生素復(fù)合作用的了解，微塑料會(huì)增加土壤生物體內(nèi)抗性基因的豐度并降低消除速率，對抗生素的積累無協(xié)同作用，但復(fù)合污染對于土壤農(nóng)作物和土壤性質(zhì)的影響還有待更多的研究去發(fā)現(xiàn)。

2.2 微塑料與重金屬的復(fù)合污染

微塑料可以作為重金屬或其他污染物的載體，重金屬富集在微塑料上，含量可以達(dá)到幾百μg/g, 且時(shí)間越長, 富集濃度越大?，F(xiàn)在重金屬與微塑料之間的吸附機(jī)制尚不明確, 但學(xué)者們推測其機(jī)制可能有以下可能，微塑料表面附帶的電荷作用、風(fēng)化和磨損使微塑料的表面改性并產(chǎn)生吸附金屬的陰離子活性位點(diǎn)、微塑料上黏附的有機(jī)物質(zhì)與金屬離子形成絡(luò)合物和水合氧化物。

微塑料與銅，鉻和鎳的復(fù)合污染會(huì)降低土壤中這些金屬的遷移率，土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)是可轉(zhuǎn)化的，而微塑料導(dǎo)致重金屬形態(tài)從易交換的碳酸鹽形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的有機(jī)形態(tài)，從而降低了重金屬的生物利用率。一些金屬元素是農(nóng)作物的必需養(yǎng)分，在提高作物的產(chǎn)量與質(zhì)量和增加肥料用量方面起著重要作用，金屬含量的降低會(huì)影響作物的生長，產(chǎn)量和質(zhì)量。但對于高于正常水平的金屬含量導(dǎo)致的土壤重金屬污染來說，土壤中積累的微塑料反而可以減少重金屬對環(huán)境的不利影響。李貞霞等研究發(fā)現(xiàn)，聚氯乙烯能夠緩解鎘污染對黃瓜根系活力以及黃瓜葉片類胡蘿卜素的影響，對黃瓜葉片超氧化物歧化酶的影響無疊加效應(yīng)，反而呈現(xiàn)中和效應(yīng)。蚯蚓是土壤中常見的模式動(dòng)物，Hodson等研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓攝取含鋅微塑料后，蚯蚓鋅蓄積、死亡率和體重均無顯著變化，其腸道中沒有保留微塑料，由于鋅能在代謝過程中調(diào)節(jié)，造成的風(fēng)險(xiǎn)不會(huì)很大。同樣是以蚯蚓為模式動(dòng)物，重金屬種類不同可能呈現(xiàn)不一樣的結(jié)果，Zhou等研究發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)暴露于微塑料相比，共同暴露于微塑料和鎘后蚯蚓大腸埃希氏菌生長速率減少，氧化損傷增加，表明鎘加大了微塑料對蚯蚓的負(fù)面影響，并且微塑料的存在加速了蚯蚓體內(nèi)鎘的積累，這種積累隨著暴露持續(xù)時(shí)間的增加而增加。微塑料可以作為載體，增加土壤里動(dòng)物重金屬暴露的風(fēng)險(xiǎn)，但有些金屬能在代謝過程中調(diào)節(jié)，微塑料與重金屬對土壤動(dòng)物的復(fù)合毒性與重金屬種類密切相關(guān)。

2.3 微塑料、抗生素與重金屬的復(fù)合污染

微塑料可以吸附土壤環(huán)境中的抗生素與重金屬，除了微塑料本身與抗生素、重金屬產(chǎn)生的復(fù)合污染外，關(guān)鍵的是微塑料還充當(dāng)了土壤微生物與微生物之間、微生物與抗生素和重金屬之間的媒介平臺，由此增加了污染物的生物安全暴露風(fēng)險(xiǎn)。

Imran研究發(fā)現(xiàn)，微塑料上的微生物在系統(tǒng)發(fā)育上的水平基因轉(zhuǎn)移比其他環(huán)境中的微生物要快得多。劉愛菊等試驗(yàn)表明銅和磺胺類抗生素高劑量復(fù)合污染對土壤微生物生態(tài)功能產(chǎn)生嚴(yán)重的協(xié)同抑制作用。Chen研究表明，砷酸鹽，銅和鋅的存在能增強(qiáng)細(xì)菌對四環(huán)素的抗性。Zhang等研究結(jié)果顯示，銅濃度的提升可顯著提高細(xì)菌對所測試抗生素的耐藥性，并且大多數(shù)抗性基因的相對豐度(尤其是可移動(dòng)的遺傳元件)顯著富集至少一倍。綜上，抗生素和重金屬有毒性協(xié)同作用，且能通過共同選擇孕育出具有抗生素重金屬雙抗性的多重耐藥菌，而微塑料則像一塊“海綿”，不斷吸附土壤中的抗生素和重金屬并在土壤中積聚，當(dāng)土壤中的微生物同時(shí)存在于這些微塑料上面時(shí)，微生物的耐藥性水平轉(zhuǎn)移或者壓力脅迫選擇就有很大機(jī)會(huì)發(fā)生，導(dǎo)致微生物耐藥性增加。上述“海綿”微塑料如果通過土壤農(nóng)作物、土壤動(dòng)物等途徑經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體，將使食品安全無法得到保障。因此，當(dāng)將含有抗生素和重金屬的畜禽糞便有機(jī)肥施用到受到微塑料污染的農(nóng)田土壤時(shí)，微塑料成為了重金屬與抗生素共同選擇的吸附載體，從而引發(fā)微生物多重耐藥性產(chǎn)生和水平轉(zhuǎn)移發(fā)生的溫床，對后續(xù)農(nóng)作物的食品安全造成影響，最終對人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

當(dāng)微塑料、抗生素和重金屬在土壤共存時(shí)，微塑料降低了抗生素的降解速度，增加了抗性基因的豐度，重金屬加大了微塑料對土壤動(dòng)物的負(fù)面影響，但復(fù)合污染并沒有加深抗生素本身的積聚，甚至通過改變重金屬形態(tài)降低了一些重金屬的生物利用率。因此微塑料與抗生素重金屬有無毒性協(xié)同作用存在爭議，在三者之中起到的更多是一個(gè)載體與儲庫的作用，加速了抗生素、重金屬和耐藥基因的傳播。

綜上所述，農(nóng)用土壤中微塑料、抗生素和重金屬的復(fù)合污染對農(nóng)作物及土壤生物有哪些安全風(fēng)險(xiǎn)還在探索階段，但可以明確的是微塑料的存在加大了抗生素和重金屬的遷移以及對土壤微生物的影響。

3 展 望

目前對于微塑料與其他環(huán)境污染物(重金屬、抗生素)之間的研究多集中于微塑料對其吸附效果及條件上，且微塑料研究又多集中在海洋，對于土壤環(huán)境中微塑料與其他污染物之間的聯(lián)合污染、復(fù)合毒性的研究相對較少。海洋水生生物與陸地土壤生物間對污染物毒性所產(chǎn)生的效應(yīng)很可能不具有一致性，所以現(xiàn)在急需對土壤微塑料、重金屬、抗生素的復(fù)合污染有更多的關(guān)注與研究。

根據(jù)現(xiàn)有研究來看，單一的微塑料與重金屬在土壤中存在時(shí)，微塑料因能改變土壤重金屬形態(tài)，可能可以減輕重金屬對于土壤動(dòng)植物的毒性，但對于不同重金屬和微塑料類型效用可能不一樣，適用范圍有多大，以及對后續(xù)食物鏈的影響，還需要進(jìn)一步的研究。土壤中微塑料與抗生素復(fù)合后，微塑料會(huì)降低土壤中抗生素和耐藥基因的分解，并充當(dāng)抗生素重金屬發(fā)揮對微生物共同選擇作用的良好載體。但現(xiàn)實(shí)中由于農(nóng)用塑料用具的使用，畜禽糞便的資源化利用造成更多的是三者的復(fù)合，因此探明土壤中微塑料、抗生素、重金屬復(fù)雜的復(fù)合污染機(jī)制，將為未來土壤污染防治、土壤修復(fù)帶來參考與指導(dǎo)。