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人工湿地中微塑料的来源及去除机理研究现状

董雯 ,  张亚坤 ,  李怀恩 ,  李家科 ,  徐志嫱 ,  陈禹彤

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 27 -30.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 27-30. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.005
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人工湿地中微塑料的来源及去除机理研究现状

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Current status of research on sources and removal mechanism of microplastics in constructed wetland

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摘要

人工湿地中微塑料主要来源于人为来源(污水排放、农业和工业生产)和自然来源(地表径流、大气沉降)。影响微塑料去除的主要因素包括基质截留、植物拦截与吸收、生物膜滞留、微生物分解。分析表明,基质在微塑料去除中起主导作用,植物的去除效果相对有限,微生物是微塑料的主要分解者。研究人工湿地中微塑料的来源及去除机理,对于提升人工湿地的处理效能和保护生态环境具有重要意义。

Abstract

Microplastics in constructed wetlands mainly come from anthropogenic sources (sewage discharge,agriculture and industrial production) and natural sources (surface runoff,atmospheric deposition).Main factors affecting the removal of microplastics include substrate interception,plant interception and absorption,biofilm retention,and microbial decomposition.It is shown by the analysis that the substrate plays a leading role in the removal of microplastics,the removal effect by plants is relatively limited,and microorganisms play a main role in decomposing microplastics.Studying the source and removal mechanism of microplastics in constructed wetlands is of great significance for improving the treatment efficiency of constructed wetlands and protecting the ecological environment.

Graphical abstract

关键词

人工湿地 / 去除机理 / 影响因素 / 来源 / 微塑料

Key words

constructed wetland / removal mechanism / influencing factors / source / microplastics

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董雯,张亚坤,李怀恩,李家科,徐志嫱,陈禹彤. 人工湿地中微塑料的来源及去除机理研究现状[J]. , 2025, 45(8): 27-30 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.005

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微塑料(MPs)是指直径小于5 mm的塑料颗粒。由于塑料制品耐久性好、机械性能优越、耐候性好、使用寿命长等优点,在日常生活中应用广泛。近年来,塑料制品的消费量大幅增加。根据经济合作与发展组织2022年报告[1],2019年全球塑料产量达到4.6亿t,并且产量还在快速增加。到2050年,预计将有120亿t塑料垃圾被排放到自然环境中。微塑料在全球各种生态环境中均有检出[2],包括海洋河流、湖泊、湿地、沼泽、沉积物和土壤。近几年更是在北极和南极海冰、山脉和深海海沟等偏远地区发现了微塑料的痕迹[3]。由于大的比表面积和强疏水性,微塑料可作为重金属、持久性有机污染物、各种塑料添加剂(阻燃剂和增塑剂)等各种环境污染物的载体。微塑料因种类繁多、分布广泛以及潜在的危害,已成为全球关注的环境问题。
迄今为止,学界已经对微塑料在海洋和其他水生生态系统中的存在及其生态影响进行了大量研究,但关于微塑料在人工湿地中的研究仍处于初期阶段。目前已开展的研究包括湿地中微塑料的发生与分布[4]、迁移和保留[5]、去除的效率、局限性和前景[6]等方面。本文中在现有文献的基础上全面回顾和讨论,明确人工湿地中微塑料的来源及分布,解析人工湿地中微塑料的去除机理,以保护湿地和环境健康。

1 人工湿地中微塑料的来源

1.1 污水处理厂尾水排放

随着城市化进程加快,大量的初级微塑料通过生活污水进入到污水处理厂处理。尽管污水处理厂对微塑料有高的去除率,但高排放量意味着将有大量的微塑料通过尾水排放进入到水环境中。Liu等[7]总结了11个国家38个污水处理厂进水区微塑料丰度范围为0.28~3.14 particles/L,出水中颗粒含量为0.01~2.97×102 particles/L。据报道,一座处理规模为30~50 000 m3/d的中小型的污水处理厂可排放1.34~2.24×1010 MPs/d[8],规模较大的污水处理厂微塑料排放量可能更高。大多数污水处理厂出水被排放到就近的水生湿地生态系统中。

1.2 地表径流

地表中存在大量的微塑料,日常生活产生的垃圾及轮胎、沥青和道路标线油漆中的灰尘被认为是其主要来源。Järlskog等[9]监测了瑞典城市道路地表径流微塑料,检测到其浓度可达1 500 particles/L,并且指出交通是雨水中微塑料主要来源。在欧洲,每年来自轮胎磨损、道路标记油漆等的微塑料有超过50%释放到城市水环境中。目前,关于地表径流和废水中微塑料的研究较多,涵盖了其分布特征和危害,但微塑料的去除仍具有挑战性。

1.3 大气沉降

大气中微塑料主要来自于城市灰尘再悬浮、合成橡胶轮胎的磨损以及合成纺织品、建筑活动、垃圾焚烧等产生的微塑料,可通过大气沉降和地表径流进入到人工湿地。微塑料在全球范围内普遍存在,并且具有区域差异。Wright等[10]通过监测英国伦敦大气中微塑料,发现其大气沉降通量高达12~925 particles/(m2·d)。在中国,Zhou等[11]研究表明,山东省烟台市大气中微塑料沉降通量达到602 particles/(m2·d)。Wang等[12]基于采样调查研究,介绍了中国南海大气中微塑料丰度为0~0.31×10-2 particles/m3。在沿海地区,海风和海浪喷雾被认为是MPs的重要来源。研究表明,每年约有13.6万t的MPs以海浪喷雾的形式从海洋排到大气。

1.4 农业活动

农业活动中的塑料地膜、有机肥、污泥还田、灌溉等产生的微塑料也可通过多种途径进入到人工湿地系统中。塑料地膜广泛用于世界上寒冷和干旱地区,以保持适宜的温度并提高作物的产量。在回收率低的地方,它们碎裂成微塑料进入土壤环境。Li等[13]检测了新疆连续用塑料薄膜覆盖30 a的土壤样品中,MPs的丰度最高达40.35 mg/kg。Chen等[14]调查发现中国中部武汉郊区菜田中微塑料的丰度高达320~12 560 items/kg,类型以纤维和微珠为主。这些来自土壤的微塑料可以通过大气沉降和径流等多种方式到达湿地生态系统,已逐渐成为湿地系统微塑料的重要来源。

2 人工湿地中微塑料的去除

人工湿地对微塑料的去除涉及多种过程的协作,包括基质截留和吸附、生物膜滞留、植物拦截和吸收以及微生物降解,如图1所示。这些多过程的协同作用有效去除人工湿地中的微塑料,减轻其污染。不同结构类型的人工湿地对微塑料的去除也有显著影响。由于缺乏基质过滤能力,表面流人工湿地对微塑料的去除效果比潜流人工湿地差。Chen等[15]使用微宇宙实验研究人工湿地对废水中微塑料的去除,研究发现表面流人工湿地微塑料去除率为81.63%,水平潜流人工湿地微塑料去除率为100%。表面流人工湿地中微塑料的去除还与微塑料的密度有关。低密度的PE和PP会在表面流人工湿地中漂移,并随出水排出。相比之下,PET(密度>1 g/cm3)更倾向于下沉。水平流人工湿地(HF-CWs)和垂直流人工湿地(VF-CWs)也表现出良好的MPs去除效果,在多级人工湿地建设中使用较多。Zhou等[16]研究表明,临港生态湿地公园(HF+SF-CW)对微塑料的平均去除率为89.3%。空港湿地处理系统(VF-CW+SF-CW)对MPs的平均去除率达到98.0%。这表明多级湿地系统在控制微塑料污染方面更有效。在实际污水处理中,混合人工湿地(不同类型湿地的组合)被广泛用于克服单一人工湿地的缺点。
目前的研究结果显示,虽然人工湿地对污水中微塑料具有一定去除效果,但这些去除掉的微塑料并没有凭空消失,而是富集在了湿地内部。微塑料在基质中不断积累对人工湿地造成不利影响尚处在研究初期。据报道,微塑料可以降低人工湿地中脱氮除磷的效率,还可以对人工湿地沉水植物净化功能产生负面影响。因此,湿地作为一种由微生物、基质和植物组成的污水处理系统,还需要进一步明确微塑料对其造成的不利影响。

3 人工湿地中微塑料去除影响因素

3.1 基质拦截与吸附

基质在人工湿地中至关重要,通过过滤、吸附和缠结作用可以有效去除人工湿地中微塑料。Wang等[17]研究了实验室人工湿地中微塑料的保留和去除,发现在充砂的垂直流人工湿地中,大多数微塑料积累在前10 cm;在以砾石为填充材料时,大多数微塑料积累在前80 cm。这表明底物主导的物理保留主要协调微塑料的去除,强调了基于底物的物理保留作为微塑料去除机制的重要性。基质粒径对微塑料在人工湿地中的滞留能力有特定的影响,如表1所示。Wang等[17]研究还发现,在以沙子为基质的反应器中,MPs的去除率接近100%,以砾石为基质的反应器,出水中仍可检测到一定量的MPs。此研究中使用的沙子颗粒明显小于砾石,表明其对微塑料的增强过滤能力明显优于砾石。吸附过程取决于微塑料和基质的性质,不同的基质和微塑料表现出不同的机理,湿地基质中矿物质含量的增加能够显著增强微塑料的去除性能。Jian等[18]研究发现微塑料可以黏附在沉积矿物(含有多种重金属)表面,并且可以显著增强人工湿地对微塑料的去除。此外,生物炭也可以作为基质来提高对微塑料的去除能力。Ahmad等[19]研究表明,通过使用枣废料衍生的生物炭从水中清除微塑料,对尼龙和聚乙烯的去除效率可达到98%以上。生物炭较大的比表面积和表面大量的微孔使其对水体中的微塑料表现出较好的吸附效果。

3.2 植物拦截与吸收

植物是人工湿地中重要的组成部分,可有效地拦截并保留微塑料,较大的微塑料可以被植物根部、茎部和叶片拦截,而较小的塑料颗粒则能被湿地的土壤基质所捕获。Wang等[25]研究了沉水植物苦草对PVC微塑料的去除。结果表明,植物的根茎部分可以有效地捕获微塑料。Jiao等[26]研究发现,植物叶片可以拦截空气中的微塑料,其中植物叶片拦截微塑料受到昼夜变化和种间差距的影响,研究还发现叶片微形态在拦截微塑料中发挥着重要的调控作用。此外,植物还可以通过降低水流速度,使得较大尺寸的微塑料颗粒得以沉降。目前的研究表明,微/纳米塑料可以通过内吞作用、质外体运输和裂纹模式被植物根部吸收。Li等[27]研究发现荧光标记的PMMA处理的大麦根部显示出更高的荧光强度,表明塑料颗粒可以被大麦植株吸收。另有研究表明亚微米和微米大小的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯颗粒可以穿透石碑,在小麦侧根部位出现通过裂缝进入,之后塑料颗粒从根部输送到枝条,并证明传输过程中蒸腾拉力是其运动的主要驱动力。微塑料被植物吸收后,主要储存在植物根部,也可通过蒸腾拉力输送到叶脉和茎木质部中相互黏附,形成链状或束状结构。

3.3 微生物分解

人工湿地中存在多种微生物,这些微生物在自然条件下参与生态系统中污染物的循环转化。微生物分解的主要机制是细菌、真菌和藻类破坏微塑料的长聚合物链[28],微生物对微塑料的解聚通常涉及水解,这是最关键的降解过程。在水解过程中,微塑料与细菌或真菌分泌的酶结合,随后被微生物降解成短链或更小的分子(例如低聚物、二聚体和单体),这些短链分子进一步被矿化为最终产物(CO2、H2O、CH4等),可以用作碳源和能源。目前已经从微生物中分离出多种能够降解微塑料的酶,其中包括已经鉴定出的能够降解PE、PET、PS和PU的酶[29]。然而,关于人工湿地中微塑料的微生物降解仍然存在许多研究空白。其中的一些差距包括详细了解湿地中微生物降解微塑料的机制,识别不同类型微塑料的降解产物,评估这些副产物是否对湿地生态系统产生负面影响,以及探索不同类型的湿地可能如何影响微塑料的微生物降解。这些领域的进一步研究对于全面解决人工湿地中微塑料污染的复杂问题至关重要。

4 结论与展望

通过对人工湿地中微塑料的溯源分析,文献中鉴定的最常见的微塑料类型是聚乙烯和聚丙烯,最主要的来源为污水处理厂尾水排放、地表径流、大气沉降、农业活动。对去除机理研究表明,人工湿地对微塑料具有较高的去除率,但去除的主要方式是基质的滞留,基质上附着的生物膜可增强微塑料的滞留效果。其次是微生物分解、植物拦截与吸收等。此外,采用数据量化影响人工湿地去除微塑料的因素。研究发现,人工湿地类型和基质颗粒的大小是影响微塑料去除的主要因素。值得注意的是,大部分去除的微塑料是被基质拦截并累积在人工湿地中,只有小部分微塑料被微生物分解去除。后续可从以下方面重点研究。①从实验室模拟转向实际工程长期研究。②微塑料大部分被截留累积在人工湿地中,并没有完全去除,可从微塑料累积及对湿地系统产生的潜在生态影响进行研究。③微塑料与湿地系统中其他污染物形成复合污染物在人工湿地中转化、去除及复合毒性对人工湿地的不利影响尚不明确,还有待深入研究。

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