微塑料对高等植物生长发育影响研究进展

纪 红 ， 陈修文 ， 赵宏利 ， 岳茂峰

(1. 广东石油化工学院理学院， 茂名 525000； 2. 中国科学院广州地球化学研究所/有机地球化学国家重点实验室， 广州 510640；3. 广东石油化工学院生物与食品工程学院， 茂名 525000； 4. 岭南现代农业科学与技术广东省实验室茂名分中心， 茂名 525000)

微塑料(<5 mm)作为新兴持久性有机污染物，广泛存在于不同的环境介质中。由于其颗粒小、数量多、分布广且易被生物体摄食，可能构成生态风险，目前已引起人们的高度关注[1-2]。在以往的研究中，中外学者对微塑料污染的研究主要集中在海洋和水生生态系统[3-4]，且研究表明微塑料可被海洋生物摄食吸收，对海洋生态系统造成负面影响[5-6]。近年来，微塑料对陆地生态系统的污染成为研究热点。研究发现，微塑料在陆地生态系统中广泛存在，它们不仅出现在人类活动集中的城市工业区[7]和农业生态系统[8]，而且也存在于偏远的山区，并影响着生态系统中环境与生物之间的关系[9]。微塑料进入土壤后可直接影响土壤结构及其理化性质[10-12]，也可在土壤动物搬运或搅动等行为下影响土壤结构和微生物功能，进而影响植物生长[13-14]。受检测技术的限制，微塑料对生态系统的影响直到近年来才逐渐被重视，微塑料对高等植物生长发育影响的研究被陆续报道[10,15]。当前的研究表明，植物暴露在一定量微塑料中，其生长及生理特征会受到一定程度的影响。这些微塑料的类型包括常见的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯(PEHD)、聚丙甲基烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯塑料微球(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚酯纤维(PES)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等，其以颗粒状或纤维状存在，粒径从毫米级到纳米级都有分布，主要以微米级和纳米级为主。目前研究的植物既有水生植物如浮萍(Lemnaminor)[16-17]、大型沉水植物狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)[18]和浒苔(Ulvaprolifera)[19]，也有陆生高等植物如水稻(Oryzasativa)[20]、黄瓜(Cucumissativus)[21]、小麦(Triticumaestivum)[12, 22-23]、生菜(Lactucasativa)[24]、洋葱(Alliumcepa)[10]、蚕豆(Viciafaba)[25]、水芹(Lepidiumsativum)[26]、黑麦草(Loliumperenne)[27]、拟南芥(Arabidopsisthaliana)[28]及车前草(Plantagodepressa)[29]等。但是微塑料对高等植物生长发育影响及机制的系统性综述总结还未有报道。

基于此，现综述近年来关于土壤微塑料对高等植物生长和生理特性影响的研究，通过总结分析微塑料影响植物生长发育的主要因素及影响机制，探讨微塑料对高等植物的干扰可能引发的生态风险，为微塑料的污染防控提供科学依据。

1 微塑料的分离及检测

不同环境中微塑料的分离检测目前还未有统一标准。微塑料的分离主要是依靠物理方法来实现，如密度法、过滤或筛选法等[30-32]。常规用于不同环境中微塑料的检测方法主要包括两大类，一是物理表征分析，如目视分析法、光学显微镜法、电子显微镜法、X射线近边吸收光谱(μ-XANES)、共焦拉曼显微镜(CRM)、扫描透射X射线显微镜(STXM)、傅里叶变换红外显微光谱技术(SR-FT IR)、太赫兹光谱技术等；二是化学表征分析，如气相色谱-质谱法(Py-GC-MS)、等离子体质谱仪(ICP-MS)、光消融电感耦合等离子体质谱(SP-ICP-MS)、激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)、纳米二次离子质谱技术(NanoSIMS)等[32]。目前还未有专门针对高等植物中微塑料的分离技术，高等植物中微塑料的研究主要以模拟试验的方式来追踪其分布。

2 微塑料对高等植物生长发育影响概述

微塑料的存在对植物生长及生理特征具有显著影响。植物可以吸收、转运、积累和转化微塑料颗粒，并将其传播至食物链中(表1)。微塑料对植物生长发育影响的研究主要集中在两个方面，一是微塑料对植物发芽的影响。研究表明，微塑料对种子发芽具有抑制作用，微塑料及其中的增塑剂可以抑制小麦种子的萌发，甚至导致其死亡。Bosker等[26]观察到暴露在不同浓度微塑料中水芹种子的发芽率均有不同程度降低；类似的现象在黑麦草种子发芽研究中也被发现[27]，这些结果表明微塑料会抑制或延缓植物种子发芽。二是微塑料对植物生长和生理指标的影响。微塑料对植物生长和生理参数特征的影响主要表现在生物量、株高、叶面积、根系、根冠比、可溶性糖、叶绿素含量、光合作用等方面。微塑料可以影响植物生物量、元素组成、根系特征。例如，植物根系暴露在特定微塑料中，其生物量将有所增加，如小麦、洋葱、黑麦草和水生植物狐尾藻等[10,18,22,27]。特定类型、特定尺寸和一定浓度的微塑料不仅会抑制植物的发芽，还影响幼苗的株高、根长和生物量，延迟植物分蘖及果穗，影响地上或地下生物量、叶面积、含水量及总生物量分配等，导致根茎变细，改变植物的功能性状，从而影响植物生长和生理特性。例如，微塑料可显著影响洋葱生物量、含水量、地下水和总生物量分配[10]。微塑料可以进入生菜、蚕豆根部甚至茎、叶中，堵塞细胞连接或细胞壁孔隙，破坏营养物质转运[24-25]。当微塑料浓度足够大、粒径足够小时，可越过细胞壁、细胞膜等屏障，进入细胞内部，引发氧化胁迫，改变其养分、水分的吸收和运输，影响植物的生长发育。但是，微塑料对高等植物的影响也不尽为负面，例如，Hernández-Arenas等[33]研究发现，含有一定量微塑料的污泥土壤可促进番茄植株的生长。

表1 微塑料对高等植物的影响

续表

3 微塑料影响高等植物生长发育的主要因素

微塑料对高等植物生长发育影响的研究主要从以下几个方面开展。

3.1 微塑料类型对高等植物生长发育的影响

微塑料类型是影响植物生长和生理特性的主要因素，尤其对根系生物量的影响更加显著。研究表明，暴露在可降解塑料膜来源的微塑料中，小麦所有生理生长参数均受显著影响。微塑料可延迟并减少小麦的分蘖及果穗，降低地上部生物量，影响根系生物量，并降低小麦中的果实量及根冠比，降低叶面积及根茎直径[12,22]。类似的现象在其他植物中也有发现，如洋葱暴露在PA下其含水量和叶生物量显著增加，在PA和PES下其总生物量会有所增加，在PES下其茎生物量将有所增加，在PEHD、PET和PP中其根系生物量则显著降低[10]，但与对照相比，所有微塑料中洋葱根系长度和表面积均有所增加。不同类型微塑料对黑麦草生长的影响也不同。聚乳酸微塑料(PLA)可抑制黑麦草的茎生长，高密度聚乙烯(HDPE)则促进黑麦草根系发育[27]。微塑料的存在也会降低叶绿素的含量。例如，暴露在聚苯乙烯纳米塑料中斜生栅藻的叶绿素含量有所降低, 但是聚乙烯微珠对小水藻叶绿素含量无明显影响[40]。Qi等[12]对比研究了低密度聚乙烯和生物降解微塑料对小麦生长的影响发现，可降解塑料地膜来源的微塑料对小麦的负面影响大于低密度聚乙烯；微塑料的存在将会导致豆角(Phaseolusvulgaris)的特定根长度/结节显著增加，但是，相对低密度的聚乙烯微塑料颗粒、生物降解型微塑料明显抑制豆角的枝条、根生物量和果实生物量[34]。

此外，特定类型的微塑料如聚酰胺(PA)的存在会导致氮的增加，影响土壤理化特征，从而影响植物生长特性。例如，洋葱暴露在聚酰胺中，其叶片中的氮含量增加而在聚酯纤维中则降低，这是因为聚酰胺在降解时可成为氮的来源(尼龙和丙烯酸也含有氮原子)，而聚合物如聚酯、聚乳酸和高密度聚乙烯的原形态中通常缺失氮原子[10]。这些结果反映出微塑料可因类型差异而对高等植物生长造成不同的影响。

3.2 微塑料形态及尺寸对高等植物生长发育的影响

不同形态微塑料对植物生长的影响也不同。不规则形状的微塑料相对球形微塑料对植物的负面影响更大，尖锐、锋利的微塑料可通过机械损伤降低植物的根长和根细胞活力[16]。尺寸也是微塑料影响植物生长的重要因素。不同尺寸的微塑料附着在植物表面或被植物吸收的几率不同，因而其对植物水分及养分的传递与吸收的影响也不同。尺寸更小的微塑料颗粒更容易被植物吸收，并累积在根、茎、叶中，其不仅阻碍植物生长，还可能被其他生物摄食，造成食品安全风险。研究表明，生菜、蚕豆和浮萍都能吸收微塑料，水生植物浮萍吸收微塑料后被虾类食用，还能将微塑料传递到虾的体内[16]；生菜、蚕豆是人类直接食用的重要蔬菜，也可能将微塑料传递给人类[21,24-25]。

尺寸更小的微塑料可能对植物的毒性更大。将蚕豆根尖分别置于不同尺寸的聚苯乙烯荧光微塑料(PS-MPs)中48 h，并对蚕豆根尖的根长、生物量、氧化应激和基因毒性评估，结果表明，100 nm微塑料对蚕豆的基因毒性和氧化损伤远大于5 mm 的微塑料。此外，激光共聚焦扫描显微镜(LCSM)显示，100 nm微塑料可在蚕豆根中积累，并很可能阻断细胞连接或细胞壁孔转运营养物质。大量纳米级别的微塑料(100 nm)可进入到根尖中，而5 mm 微塑料颗粒在根尖中很少出现。类似的结果在其他植物中也有发现。例如，暴露在微塑料中的水芹不但发芽率显著降低，而且随着塑料尺寸的降低，不良反应增加[26]；粒径越小、浓度越高的聚乙烯微塑料对绿豆毒性可能越强[41]；尺寸为1 μm的微塑料可进入胡萝卜根并聚积在其细胞间层中，微米和纳米级的微塑料还会进入胡萝卜叶中[35]。

3.3 微塑料浓度及电荷对高等植物生长发育的影响

微塑料的浓度及电荷也是影响高等植物生长的重要因素。植物对不同浓度和不同电荷的微塑料的响应不尽相同。一般情况下，低浓度微塑料对植物生长的影响较小，高浓度微塑料则对植物生理生长特性影响较大。例如，研究表明大型水草狐尾藻等的侧枝长度、根、茎生物量及相对生长指数与纳米塑料浓度呈正相关[18]。对大豆幼苗[36-37]、黑藻(Hydrillaverticillata)[39]的研究表明，较低浓度的微塑料颗粒对幼苗生长影响较小，植物可通过自身抗氧化系统减小胁迫影响。

也有研究表明，高浓度的微塑料可以促进种子萌发，而低浓度微塑料则抑制种子萌发。相对较高浓度的微塑料在一定程度上可促进种子发芽，这可能与微塑料的团聚作用降低了植物对微塑料的接触性有关[23]。低浓度的微塑料抑制发芽可能与微塑料本身所带的电荷有关，带正电荷的纳米塑料易被吸附在根表面，而带负电荷的纳米塑料则易被吸收并转移至植物体内[28]。微塑料粒径越小，更容易被植物吸附或吸收，且它们具有更大的比表面积和负电荷，可通过吸附重金属或其他污染物而成为污染源载体，从而对植物造成胁迫。基因转录组测序技术研究发现，纳米塑料可以直接作用于根部，影响植物的芽的基因表达，带正电荷的微塑料毒性效应更强，微塑料可以诱导抗氧化活性相关基因的下调，导致根部更高的活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平的积累。此外，根系分泌物也会影响纳米颗粒在植物体中的内化作用，带正电的纳米颗粒可诱导更多的黏液并被吸附捕获，从而阻止纳米颗粒的转移，而带负电的纳米塑料颗粒易被内化，带正电的纳米颗粒多分布在根部表面和根毛上[28]。

4 微塑料对高等植物生长发育影响机制

4.1 通过改变土壤结构理化性质影响植物养分吸收及传递

微塑料可以直接影响土壤的理化性质及物质循环。微塑料的存在导致土壤的物理性质发生变化，改变植物中微量营养元素的有效性，影响植物的生长，如纳米尺寸的塑料颗粒也可能被强吸附到土壤表面，从而降低营养元素的有效性[27]。微塑料潜伏在土壤中或附着在根系附近，可显著影响土壤的容重、水稳性团聚和土壤结构，从而影响土壤中水分蒸发、水分有效性及土壤中微生物的活力[10](图1)。一方面微塑料通过降低土壤容重，直接降低植物根系的渗透阻力，提高土壤通气性，有利于根系的发育；另一方面微塑料也可以在土壤中为水气运动提供便捷通道，从而增加水分的蒸发，使土壤变得更干燥，对植物的生长发育不利[11]。

4.2 堵塞根部通道，控制植物营养及水分传递，影响光合作用

微塑料对植物生长的影响主要体现在对根的发育控制(图1)。Kalíková等[16]发现水生植物浮萍根系生长受到微塑料的抑制，认为是由于颗粒对根部物理堵塞导致的。高等植物尤其是一些被子植物本身所具有的种皮通常可以保护其不受外界不利因素的影响[42]。在对大豆和蚕豆的种子发芽控制实验中观察到，微塑料可进入高等植物如蚕豆根部，大量累积在种皮的表皮孔隙中，堵塞孔隙，抑制其对水分及营养的吸收，延缓发芽；或堵塞细胞连接或细胞壁孔隙，破坏营养物质转运[38]，从而产生过量ROS，导致氧化损伤并引发更高的毒性。微塑料在土壤及植物根部长期聚集还可能影响植物光合作用(图1)。叶绿素含量是影响植物光合作用的重要指标[43]。研究发现，黑麦草在微塑料胁迫下叶绿素值会有所降低[27]。虽然对水芹和浮萍中未检测到对叶绿素的影响，但是海藻暴露在70 nm聚苯乙烯塑料72 h后，其叶绿素的含量降低[27]，类似的在对小球藻(Chlorellavulgaris)和斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)的实验中也观察到了，可能是微塑料的存在阻碍了光线的传播，从而影响了植物的光合作用[44]。但是有关微塑料对植物根部及种子的孔连通性和光合作用的影响的证据还较少，仍有待研究。微塑料颗粒的存在也可能减少植物之间的相互竞争作用，从而对植物生长造成负面影响[29]。

4.3 联合污染或转运有害物质

微塑料颗粒还可以与其他污染物共存，造成对植物的复合污染。例如，聚苯乙烯(PS) 和 邻苯二甲酸二丁酯(DBP)复合污染，抑制生菜的光合作用和糖代谢，从而降低生菜的品质[45]。微塑料与抗生素如环丙沙星联合污染，抑制黑麦草的根长、鲜重以及叶绿素含量等，加重对植物的生长毒性[46]。微塑料还可与多环芳烃联合污染，微塑料颗粒作为载体将多环芳烃转移到小麦根际[47]。微塑料与砷As(III)联合污染，抑制植物生长，影响其根系活性和光合作用，加剧其生态风险。砷As(III)的存在不仅使得尺寸较大的微塑料可以进入胡萝卜(Daucuscarota)的根(1 219.7 nm)和叶(607.2 nm)中，也加剧了两者对植物(胡萝卜、水稻苗)的毒性[20,35]。微塑料本身在植物体内的吸收和转运是研究关注的重点之一，也是微塑料对植物的最直接的毒性影响。研究表明，植物根部可以内化和累积纳米粒子，沿着细胞壁的非质外体通路和细胞间隙进入到脉管系统，再从脉管系统进一步转移到茎、叶甚至果实，并可能造成损伤，引起细胞膜、细胞内分子的改变和氧化应激的产生等[48](图1)。此外，微塑料释放的添加剂等有毒物质也可干扰植物的生理功能。Prata等[49]在模拟聚氨酯海绵微塑料中荧光添加剂在不同水质(酸性、咸水、碱性水)类型的天然水体(河流、湖泊、湿地、海水)中的浸出行为时发现，随着溶液pH和浸出时间的增加，添加剂的释放量增加，虽然未改变其光合效率，但是文章也指出，若在微塑料高丰度地区如亚热带环流或近岸水域，从塑料中浸出的添加剂可能会影响微藻的生理功能。另外，土壤中的微塑料颗粒可能会对植物根系或其共生体产生负面影响，潜在地转化为对植物生长的负面影响。由于微塑料的憎水性和较大比表面积，进入土壤中的微塑料能够通过分配作用和表面吸附作用大量吸附环境中的有机污染物从而改变被吸附物质的生物有效性，也可能间接影响植物的生长发育。亦有报道指出，污染物对微塑料表面的吸附可以降低其他污染物对土壤生物和植物的可利用性，从而起到保护作用，这已在水生环境中观察到[50-51]，这种效应也可以转移到土壤中。因此，微塑料对污染物的影响是否全是负面影响，还存在一定的争议。

图1 微塑料对植物生长发育的影响机制

4.4 干扰土壤微生物，影响根际微生物群落结构

微塑料对土壤结构的改变影响土壤中微生物的群落结构，并进一步影响土壤共生体，如菌根真菌及根际微生物群落[52]。土壤生物群落及其多样性，特别是根定植微生物，包括固氮菌、病原体和菌根真菌直接影响植物的生理生长[53-54](图1)。例如，Awet等[55]发现聚苯乙烯纳米塑料短期对土壤微生物和酶活性是具有负面影响的。此外，纳米塑料颗粒可以促进更多植物根系分泌物如草酸，从而影响黑麦草的生理生长特性[27]。不过，不同类型的微塑料对植物根系-微生物共生体的影响有差异，PES对植物根系与周围微生物群落的相互作用影响最大，PES的存在导致菌根真菌增加了8倍，PP使菌根真菌增加了1.4倍，而PET却降低了一半菌根真菌的侵染。

微塑料改变其菌群结构已得到证实。Zhang等[14]采用扫描电镜(SEM)和高通量测序技术对新疆棉田采集的微塑料上的菌群进行分析发现，微塑料的表面，尤其是凹坑和片状上，最易富集微生物，且微塑料上的微生物群落结构与周围土壤有显著差异。微塑料在农田土壤中可充当一种特殊的微生物蓄积器，主要富集降解聚乙烯的菌群，如放线菌等，其复杂性不亚于土壤。这些菌群及微生物的改变，在一定程度可能会影响植物的性能。微塑料也可以通过改变土壤结构来改变土壤理化性质，进而可能引发微生物活性的变化。许多研究认为，微塑料可能通过抑制微生物的生长和繁殖，破坏土壤生物多样性，对土壤微生物群落构成威胁[56]。但也有证据表明，低剂量的微塑料对土壤微生物的影响微乎其微[57]。由于缺少相应的研究，目前微塑料对植物根际微生物群落的影响存在较大的不确定性，这可能是下一步相关研究的重点之一。

5 潜在生态风险

目前微塑料是否通过影响植物生长而导致生态风险还存在争议。例如，尽管在鱼田稻中也发现了微塑料，但是其含量/丰度不足以引起潜在的生态风险[58]。小麦种子能够吸附微塑料，但是对小麦种子的毒性不大[23]；受微塑料污染的浮萍被虾类食用，可在虾的体内累积，但短期内(24～48 h)内未发有现有影响。类似的结论认为，由于实验模拟浓度远远高于实际情况，因此，微塑料对植物的毒性并不大。但是，也有相当部分研究指出，微塑料的潜在风险不能忽视。微塑料可能通过食物链进入人类生活[59]。土壤中的微塑料被动植物吸收，动植物则可能成为传递微塑料的载体。例如，在含有较高微塑料土壤的园子中养的鸡粪中发现了较高丰度的微塑料，这种微塑料可能通过营养途径，进入人类的食物中。微塑料被植物如生菜水芹等人类直接食用的蔬菜中吸收累积，可能直接通过食物链影响人类健康。

微塑料也可能对农业生态系统和一般陆地生物多样性造成影响[10]，或是被其他动物吸食，进入高等生物的肠道，减少细菌的多样性，并引发免疫反应[26]。可见，无论微塑料是附着在植物的根系表皮上还是越过细胞壁障碍，被吸收进入细胞内，它们都可能与植物及其他生物等一起被食草动物摄食吸收。微塑料进入高等生物的肠道后，可能会减少细菌的多样性，并在一定浓度的情况下引发免疫反应。首先，虽然目前的检测技术还未能在食物中检测到纳米塑料，但已有研究已揭示微塑料可以被某些生物如鱼类及植物吸收，从而可能引起人类潜在的健康危险。其次，从微塑料材料本身或添加剂中浸出的微塑料也可能影响人体健康。一些添加剂等化学物质渗入环境中，当暴露于生物体中时，会导致内分泌紊乱或急性毒性，其中最典型的例子就是双酚A(BPA)的污染，由于双酚A的雌激素活性，会产生包括多种代谢疾病以及造成生殖和发育方面的影响[60]。此外，暴露在环境中的微塑料合成物还可能通过呼吸系统进入人体中[59]。因此，微塑料对生态系统及人类健康安全风险，需要更多证据，有待下一步研究。

6 结论及展望

陆地生态系统中尤其是土壤中大量微塑料存在，对高等植物的发芽及生理生长发育特性都有显著影响。高等植物与人类的生活紧密相关，不能忽视微塑料对高等植物的毒性及潜在风险。已有的研究表明，微塑料可进入植物根茎内部，引发氧化胁迫，改变其养分、水分的吸收和运输，影响植物发芽、根茎生长发育及部分生理指标如生物量、果实量等，虽然影响有限，但不可忽视其可能造成潜在的生态及食品安全风险。微塑料的类型是影响高等植物生长的主要因素；其次是形态、大小及浓度、电荷，越小的颗粒其影响可能越大。微塑料可通过影响土壤结构及理化性质从而影响植物的养分传递，抑制植物生长；微塑料及其添加物释放的毒性被植物吸收或通过植物生长活动传递给其他生物，成为污染物传递的载体；微塑料还可通过影响植物的菌群结构及根际微生物等，引发生物种群失衡等生态风险。

随着人类社会的发展，无论是初级微塑料还是次级微塑料，大量进入土壤生态系统后，对土壤中物质循环及植物-动物-土壤的相互作用，甚至食物链都会产生深远影响。然而，当前微塑料对高等植物的影响研究还很少。微塑料类型多、成分复杂、性质差异较大，其对植物及相关微生物、根际菌群结构等影响受到诸多环境因素的制约。在未来的研究中，以下几方面问题亟待解决：

(1)相较于海洋生态系统，土壤生态系统中受有机质、团聚作用等因素的影响，微塑料提取分离也更加困难。因此，下一步应该规范对土壤及不同类型植物微塑料的提取识别方法，定性、定量研究微塑料在不同植物及土壤中的分布，为研究微塑料对植物生长发育的影响及相关机制提供基础支撑。

(2)不同类型植物对不同性质的微塑料污染胁迫反应不同，后续应多关注不同类型微塑料对不同植物的影响，并从根系分泌物、根际微生物方面着手，明确微塑料存在对根际间分泌物的影响，从而探索微塑料对不同类型植物生理生长特性的影响，寻找微塑料对植物的污染机制，这也应该是下一步微塑料对植物影响研究的重点。

(3)微塑料不仅能够被植物根吸收，还可转移累积至茎、叶、果实中，并且传递给其他食用植物的生物或人类。到底多少浓度对植物生理特性有损伤，从而引发相应的生态系统风险。微塑料的类型多，性质复杂，哪些类型的微塑料对生物或植物的具有不可逆的伤害，其引起的潜在生态风险究竟有多大，应该也是下一步研究的方向。