微塑料对农作物生长影响的研究进展

卢灵慧，王 娟，郑 阳，查旭琼

(嘉兴学院 生物与化学工程学院，浙江 嘉兴 314033)

0 前言

微塑料(Microplastic)是一类新型环境污染物，近年来越来越受到国内外学者的关注[1]。微塑料的定义为粒径<5 mm的塑料颗粒[2]。因其丰度高、粒径小、难降解、迁移距离长等特点，可能对环境产生不利影响。在海洋和陆地上都普遍检测到微塑料，近几十年发表的研究表明微塑料可能对整个生态系统构成威胁[3-5]。与海洋相比，陆地环境容纳了更多的微塑料，估计每年释放到陆地上的塑料比海洋高出4～23倍。由于它们粒径微小，易被生物体混淆当作其他营养物质吸收，从而进入食物网并累积富集，对生物体造成危害[6]。

微塑料性质特殊、粒径微小，因而难以去除且易对环境造成二次污染。传统的去除方法主要有消解法和密度浮选法等，目前适用于微塑料去除的新技术仅有较少几种。光催化氧化法是在光催化剂(如氧气和过氧化氢等)的作用下，利用光辐射导致半导体电子跃迁，从而催化氧化微塑料。生物酶解法是一种较优的处理技术，先利用酸消解预处理微塑料，然后利用动植物和微生物的生物酶处理塑料微粒，最终将微塑料降解为水和二氧化碳等无污染物质[7]。董明潭等[8]利用微塑料的亲油性，提出采用油提取法分离提取土壤中的微塑料。实验结果表明，相较于传统的密度浮选法，油提取法具有较高的去除率和处理效率，且适用性广泛。

作为农业生态系统中的重要组成部分，农作物的生长与土壤休憩相关，作物不可避免地会受到土壤环境中诸多因素 (包括微塑料) 的影响[9]。目前有关微塑料对农作物种子萌发和幼苗生长等的研究仍然较少。本文旨在探讨微塑料对农作物的生态效应，为以后评价微塑料对农作物生长的影响提供理论依据。

1 农田土壤中微塑料的来源

污泥的土地利用是土壤环境中微塑料的主要来源之一。污泥的土地利用是污泥主要处理途径之一，污泥中富含有机质和多种植物所需的无机元素(N、P、K等)，有明显的培肥效果，所以常被当做肥料施用到农田中[10]。研究表明，污水处理可使污水中大部分的微塑料沉降在污泥中。由于粒径相对微小，微塑料很难从污泥中被再次分离，因此将含有微塑料的污泥作为肥料施用到农田中时，大量的微塑料也随之进入土壤环境[11]。

土壤中微塑料的来源广泛，而流入土壤的地表水和污水灌溉是其主要来源。ZHANG等[12]研究证实了微塑料会通过地表径流和农业灌溉进入土壤。灌溉用水主要为地下水、地表水或净化后的污水，但净化后的污水中仍有微塑料的存在，而微塑料无法被完全截留在污水处理系统主要归因于其粒径过小。ESTHER等[13]调查发现，位于温哥华的最大污水处理厂的处理设施虽然可以将97%～99%的微塑料拦截，但每年依然会检测到有300亿个左右的微塑料经污水进入到环境中。

大气中的微塑料通过大气沉降作用也可进入土壤环境[14]。汽车的广泛利用给人们带来巨大便利，与此同时，汽车轮胎与地面摩擦产生的磨损颗粒也成为了大气中微塑料的重要来源之一[15]。工业生产过程、建筑扬尘以及垃圾填埋等过程都会产生大量的微塑料粉尘，这些悬浮颗粒经大气沉降最终进入土壤，并随地表径流和生物活动等不断迁移。

2 微塑料对农作物的影响

植物是土壤生态系统中不可或缺的一部分，植物的生长与土壤环境密切相关[16]。土壤中的微塑料对土壤的物质循环、生物多样性和功能多样性均会产生影响，通过改变土壤环境对植物产生间接作用[17]。目前，只有少数研究报道了微塑料对植物生长的影响。例如，土壤中添加1%的聚乙烯和生物可降解塑料对小麦籽粒产量具有明显的抑制作用[18]。将水芹种子培养在添加了不同浓度(103～105个/mL)和不同粒径(50、500、4 800 nm)微塑料的营养液中，结果显示微塑料对种子发芽率具有显著抑制作用，且微塑料粒径越大，抑制效果越明显[19]。

连加攀等[20]进行的微塑料对小麦种子影响实验中，选取三种微塑料[乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)]和小麦种子作为实验对象。结果显示，三种微塑料对种子发芽率的影响呈“高促低抑”的规律，而对种子生长呈现“低促中抑高恢复”的规律。此外，微塑料的种类和含量也会影响小麦的根长和芽长等性状。

已有研究表明，微塑料可以直接被作物积累和转运。烟草细胞培养实验结果表明，小粒径塑料可被植物细胞吸收进入体内，随运输系统迁移并积聚在植物体内从而进入食物链，对生态环境和人类健康造成威胁[21]。李连祯等[22]借助激光共聚焦显微镜及扫描电子显微镜，观察两种不同荧光标记的聚苯乙烯塑料微球在生菜体内的吸收和分布情况。结果表明微米级塑料微球不能被植物吸收，亚微米级塑料微球可被植物吸收、转运和积累。通过电子显微镜观察发现，生菜根部积聚了大量聚苯乙烯微球，微球还可随植物蒸腾作用和营养运输从根部转移到茎叶等上部器官。微塑料不仅可以被植物吸收，也对植物生长和性状造成一定的影响，但从土壤运输到植物可食部分的微塑料与从大气沉积或污水灌溉直接沉积到植株嫩芽上的微塑料之间的差异尚不清楚。

冯雪莹等[23]对不同种类、不同粒径、不同浓度的微塑料对不同物种的毒理效应进行了归纳。微塑料对农作物的影响具有物种广泛性，如小麦、菜豆、蚕豆等这些常见的农作物，实验多项生物指标表明它们均会受到微塑料的影响。微塑料会对小麦种子的发芽率、生物总量、结实量和根茎叶产生影响，且粒径越小影响效果越明显，浓度水平上大致呈现“低促中抑高恢复”的规律。微塑料对葱的生长具有一定的促进作用，主要表现在总生物量的增加及根系的平均直径增长等方面。微塑料会改变蚕豆的生物酶活性，纳米级塑料微粒还可对蚕豆的有丝分裂过程产生一定影响。适宜的微塑料粒径和浓度可促进胡萝卜和黑麦草生物量的积累和根系的生长，低中浓度微塑料对玉米无显著影响，高浓度微塑料会降低玉米生物量。

3 微塑料对农作物的影响机制

3.1 孔洞阻塞

根系是植物重要的营养器官，具有吸收、合成和转运作用，根系的健康是植物正常生长的保障。土壤中的水、二氧化碳和无机盐类需通过根系孔洞才可被植物吸收转化利用，在根系多种酶的作用下合成多种氨基酸，并通过体内转运系统供机体使用。植物细胞壁孔洞为5～50 nm，介于此粒径的微塑料更容易吸附在种子表皮或根系细胞壁孔洞，影响种子发芽，根系阻塞会严重影响植物对土壤中水分及养分的吸收和运输，限制植物生长[23]。

3.2 生理生化影响

叶绿素是植物光合作用必需的色素，高等植物叶绿素主要为叶绿素a和叶绿素b两种，它们在植物的生长代谢过程中不断进行合成和分解。在一定程度上，两种叶绿素的含量变化可反映植物的生长状况[24]。在不同的微塑料浓度下，叶绿素的含量总体呈现“低抑制、中高恢复”趋势[25]。植物抗氧化能力的强弱体现了其受外界逆境影响的程度。微塑料对抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性以及膜质过氧化物丙二醛(MDA)和细胞渗透调节物质(可溶性蛋白)含量均造成了一定程度的影响[26]。

3.3 毒理作用

许多研究表明，微塑料具有生态毒理作用，可直接对植物产生生态毒性和遗传毒性。在塑料生产过程中添加的各种添加剂，提高了塑料的耐热性和耐腐蚀性，这些添加剂不会永久附着在塑料聚合物上，随着时间的推移，它们会从微塑料释放到环境中。大多数的添加剂都是有剧毒的，不同种类和功能的微塑料含有不同的添加剂，可以向环境中释放不同的增塑剂，进而对农作物产生不同的毒理作用。使用塑料薄膜的地区土壤中塑料添加剂的浓度较高。这一发现表明塑料产品可以向土壤环境释放增塑剂，对农作物产生毒害作用，进而对土壤生态系统构成威胁，而且有潜在的沿生物链富集的风险。

3.4 间接效应

微塑料改变土壤理化性质以及微生物多样性间接影响植物生长。微塑料粒径小而难降解，进入土壤后会持续迁移渗透，影响土壤孔隙度和持水量等土壤的物理性质。微塑料的存在还会对土壤酶活性产生影响，进而影响土壤有机质含量，具有改善土壤微环境的潜力[27]。微塑料本身比表面积大等物理化学特性使其容易吸附疏水性、持久性有机污染物并发生富集，如DDT、六氯苯、多氯联苯、多环芳烃等，这些污染物具有持久性和生物毒性，可进一步产生更高的复合毒性，对农作物构成更严重的威胁。微塑料影响土壤生物的生存和繁殖，微塑料被蚯蚓吞食后会对其肠道系统及其他组织器官产生影响[28]。微塑料还会影响跳虫活动及蠕虫繁殖等，改变土壤微生物多样性，对农作物生长产生间接影响[29-30]。

4 未来研究展望

微塑料对农田土壤的污染问题已成为一个重要的环境问题。农业生态系统中微塑料的来源已有研究, 但缺少更为精确的数据，这对土壤微塑料研究和污染防治具有重要意义。现有微塑料的分离和检测方法较少且在高效性和统一性方面存在欠缺，在微塑料研究过程中采用的方法不同，会大大降低不同研究之间的可比性，所以分离和检测方法有待标准化。微塑料在迁移过程中会吸附土壤中的有毒有害物质，产生复合污染并继续迁移转化，其对农作物生长的影响还有待进一步系统性研究，微塑料携带的有毒污染物与微塑料结合和释放的机理也尚未十分清楚。

综上所述，今后关于微塑料与农作物间的交互作用研究亟待深入开展。例如，微塑料的来源；更高效统一的微塑料分离和检测技术；微塑料对农作物产生的复合生态效应；微塑料毒害物质的释放机理。