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农业土壤中微塑料对重金属的吸附研究现状

唐礼强 ,  杜海英 ,  王梦舟 ,  胡芸菲 ,  杨金燕

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 54 -58.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 54-58. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.010
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农业土壤中微塑料对重金属的吸附研究现状

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Situation of research on adsorption of heavy metals by microplastics in agricultural soil

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摘要

从微塑料特征、农业土壤微塑料来源、微塑料对重金属的吸附-解吸作用及二者对作物生长的共同影响,探讨其对农业土壤中重金属的影响。研究发现,不同类型微塑料对重金属吸附能力不同,且受微塑料老化程度及土壤理化性质的影响;二者复合污染对作物生长表现出复杂的交互作用,包括协同和拮抗效应。未来研究需制定微塑料的标准分离与检测方法,关注不同来源及类型的微塑料,并综合考量微生物及农作物等生物因素的影响。

Abstract

This account describes the impact of microplastics on heavy metals in agricultural soil from the perspectives of microplastic characteristics,the sources of microplastics in agricultural soil,the adsorption-desorption effects of microplastics on heavy metals,and their combined effects on crops growth.It is found that different types of microplastics deliver varying adsorption capabilities for heavy metals,which are influenced by the aging degree of microplastics and the physicochemical properties of the soil.The combined pollution caused by microplastics and heavy metals exhibits complex interactions on crops growth,including synergistic and antagonistic effects.The research in the future is suggested to establish standard methods for the separation and detection of microplastics,focus on different sources and types of microplastics,and consider comprehensively the impact of biological factors such as microorganisms and crops.

关键词

农田 / 农作物 / 解吸 / 吸附 / 来源 / 微塑料 / 重金属 / 土壤

Key words

farmland / crops / desorption / adsorption / source / microplastics / heavy metal / soil

Author summay

唐礼强(1988-),男,学士,工程师,研究方向为环境咨询,

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唐礼强,杜海英,王梦舟,胡芸菲,杨金燕. 农业土壤中微塑料对重金属的吸附研究现状[J]. , 2025, 45(12): 54-58 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.010

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在当今农业生产活动愈发密集的背景下,土壤环境面临着诸多污染挑战。微塑料(MPs,粒径<5 mm的塑料碎片或颗粒)因塑料制品的广泛使用及不当处置在农业土壤中普遍存在[1]。重金属则通过工业废弃物排放、农药化肥施用等途径不断在土壤中累积。微塑料因较大的比表面积、特殊的孔隙结构与官能团分布对重金属有吸附能力[2],影响着重金属在土壤环境中的迁移转化及生物有效性,直接威胁农田生态与作物安全。目前研究多聚焦于水生环境中微塑料对重金属的吸附机制,而在农业土壤这一关键界面的研究仍存在不足。本研究旨在梳理微塑料特征、污染来源及其与重金属的交互作用规律,为揭示农田土壤中复合污染机制、制定风险防控与治理策略提供理论依据。

1 微塑料特征

为深入剖析微塑料对其他土壤污染物环境行为的影响,需先明确微塑料的特性。微塑料按来源划分为初级和次级,形态上呈现为纤维、碎片、薄膜和球形颗粒等。随着研究的深入,粒径更小的微塑料有了新定义(表1)[3-5]。常见的塑料如聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),各有不同物理化学特性:如抗紫外线性能、断裂伸长率、密度等(表2)[6]。PE、PP和PET属非极性,仅含C—C、C—H键;PVC、PS因含氯离子、苯环呈极性。PS能通过π-π键与芳香族有机化合物反应;PA含酰胺基(C—O、N—H键),氢键吸附能力强于其他微塑料[7]。微塑料进入土壤后,其添加剂中的有害物质(如双酚A、邻苯二甲酸酯等)会随微塑料的老化被释放出来,影响土壤微生物活性及植物生长[8]。

2 农业土壤微塑料污染及来源

2.1 农业土壤微塑料来源

农业土壤微塑料污染源呈多途径输入。首要来源为农膜覆盖,我国19省农田微塑料浓度最高达18 760个/kg,低密度聚乙烯地膜降解周期达300 a;有机肥施用贡献显著,堆肥中塑料含量达2.38~80 mg/kg,保守估计年输入量达52~26 400 t,其中缓释肥包膜残留量可达农膜残留的2~10倍;污水灌溉是重要传输通道,经二级处理的灌溉水中微塑料浓度仍达100个/m3,全球年输入农田超300亿个。这些污染途径并非孤立存在,而是通过土壤-水-气界面的物质交换形成复杂网络,污泥农用和大气沉降构成隐蔽输入源,我国污泥中微塑料含量达1 600~56 000 个/kg,而沿海地区大气微塑料年沉降通量可达1.38×105个/m2,纤维类占比超90%。此外,农村生活垃圾中8.78%的塑料组分通过地表径流迁移入田,年潜在输入量达2.46×109 t。设施农业扩张与废弃物管理滞后正加剧农田微塑料富集。

2.2 农业土壤微塑料污染

杨杰等[9]构建7种微塑料的特定环境排放模型发现,土壤微塑料丰度约为水体环境的40倍,是微塑料的重要蓄积库。国内多地调查数据进一步揭示了农业土壤微塑料污染的普遍性与差异性,西南省份95%的微塑料粒径范围在0.05~1 mm,蔬菜种植土壤微塑料含量(18 760个/kg)高于缓冲区背景土壤[10];东北农田微塑料的平均含量0.27 mg/kg,最高含量可达8.5 mg/kg[11];上海郊区农田0~6 cm土层以粒径<1 mm的纤维碎片和薄膜为主。
国外研究同样证实了农业土壤的微塑料污染问题。欧洲每年有近70万t微塑料输入农业土壤,其中约一半含微塑料的废水、污泥被用作农业活动。估算未来500 a内,每1 kg土壤中微塑料积累量将达到1 g,占北半球温带可耕作土壤碳储量的10%左右[12]。此外,微塑料还可以改变土壤物理性质,干扰微生物群落结构与功能,影响农作物生长发育、产量及品质,威胁农业生态系统稳定与可持续发展[13]。

3 土壤中微塑料对重金属的吸附

微塑料与重金属共存引发的复合污染效应已成为环境领域的研究热点。重金属作为持久性强、毒性大的污染物,在土壤中长期累积并威胁生态安全,微塑料因对重金属的强吸附特性,显著改变了重金属的环境行为,二者的交互作用成为复合污染形成的关键机制。

3.1 土壤中微塑料对重金属的吸附特征

农业土壤中,微塑料与重金属的交互作用呈现载体效应与生态风险放大特征。研究表明,PE类微塑料通过竞争吸附机制抑制土壤胶体对重金属的固定,导致有效态重金属含量升高13.5%~28.7%[14],增加作物吸收与地下水污染风险。Zhang等[15]通过动态吸附实验证实,HDPE的存在削弱了土壤对Cd的吸附,但增加了对Cd的解吸,提高Cd在农业土壤中的迁移性。Hodson等[16]进一步发现,微塑料对Zn2+的吸附能力(Qmax=6.2 mg/g)仅为土壤黏土矿物的23.5%,但携带的Zn2+对蚯蚓具有更高的生物有效性,可能是微塑料-重金属复合体在生物消化液中的快速解离特性所致。
从吸附机制维度,王晓慧[17]通过XPS和FT-IR分析揭示,微塑料能降低土壤对Zn2+的吸附能力,增加其解吸能力。PE对Zn2+的吸附以物理吸附(表面静电吸引、孔隙填充)为主,对Zn2+的吸附能力远不如农田土壤;紫外老化处理的PE农膜因表面氧化生成羰基和羟基对Zn2+的吸附能力提升,而土壤含水量及腐殖酸对该过程的调控效应较弱。
然而,腐殖酸对微塑料与重金属相互作用的影响又呈现出了污染物的特异性。董又铭[18]的研究表明,腐殖酸含有大量的含氧官能团可以与PP微塑料形成稳定的π配合物,提升了微塑料的亲水能力,明显增加微塑料吸附As的速率和吸附量。与之形成对比的是,孙佩佩[19]通过比较可降解微塑料聚乳酸(PLA)和黑色PE地膜碎片对土壤中2种无机砷(As3+、As5+)的吸附和解吸行为,发现原始PE地膜因疏水表面抑制As的吸附,而老化黑色PE地膜碎片、PLA及老化PLA的添加均提高了As在土壤(微)塑料混合体系中的吸附量。在农业环境中,微塑料的老化程度、聚合物类型及土壤组分共同调控着重金属的吸附-解吸平衡。其中,老化后的PE农膜因表面氧化形成的活性位点,更易成为重金属的聚集和迁移的载体,影响土壤质量和生产力,这为农田微塑料污染的源头控制提供了关键理论依据。

3.2 土壤中微塑料吸附重金属的影响因素

3.2.1 微塑料自身属性

微塑料对重金属的吸附行为受其理化性质的显著调控。针对不同聚合物类型,各类微塑料因物理和化学性能的差异,对土壤中重金属的吸附效果也存在差异。高丰蕾等[20]通过对比5种常见微塑料对Pb的吸附能力发现,PVC和PP对Pb2+的吸附容量显著高于PE,这归因于PVC的Cl-配位效应及PP的苯环π电子富集特性。
土壤中微塑料的老化程度对重金属吸附也起到关键作用,老化过程通过改变微塑料表面官能团组成显著提升其吸附潜力[21]。Bandow等[22]模拟微塑料在户外环境中的老化过程,发现PVC和PS微塑料老化不仅明显增加了其对Cu2+、Zn2+的吸附,还可减弱重金属的解吸和释放。另有研究结果显示,无论是可降解微塑料PLA还是不可降解微塑料PS,在经紫外线老化后,对Cu2+和Zn2+的吸附能力及在模拟胃液环境下解吸这2种元素的能力均有所增加[23]。

3.2.2 土壤环境因素

除了微塑料本身的性质,土壤的理化性质也会影响土壤中微塑料对重金属的吸附能力。
有机质含量:土壤中大量有机质的存在可能对微塑料的吸附能力产生重要影响。相比其他土壤,富含有机物质的林地土壤中的HDPE对Zn2+的吸附能力更强。
pH:土壤pH的变化会导致微塑料与污染物所带电荷发生变化,从而影响它们之间的吸附行为。酸性条件下(pH<5),微塑料表面质子化形成正电荷,通过静电引力促进对Cr(Ⅳ)等阴离子的吸附;碱性条件(pH>7)下,表面去质子化形成负电荷,增强对Cd2+、Pb2+等阳离子的静电吸引[24]。
孔隙结构:微塑料的引入会改变土壤团聚体结构,导致微孔比例增加,进而影响被团聚体吸附的重金属的生物可利用性[25]。
重金属种类:微塑料对多价态金属的吸附具有显著特异性,这一特性主要由微塑料表面的官能团组成、孔隙结构及金属离子的电子构型共同调控。Zhu等[26]研究进一步验证了这一规律,微塑料对铅(Pb2+)和镉(Cd2+)2种典型高毒性多价态重金属离子的吸附效果最优,Pb2+的强亲和力和高静电强度,Cd2+的高溶解度、迁移性等增加了被吸附的可能性。微塑料在环境中的存在周期同样是决定其对金属离子吸附性的关键要素,但对于其他潜在影响微塑料吸附重金属的因素尚需更深入的研究,特别是在农业土壤环境中微塑料对重金属的吸附机制值得进一步研究。

3.3 微塑料吸附重金属的机制

微塑料吸附重金属的机理研究还处于基础阶段,其主导作用模式具有材料依赖性,主要包括面静电吸附与络合反应。董又铭[18]指出静电力和非共价相互作用是As(Ⅲ)在PSMP和PTFE上吸附的关键机制,该过程是一个放热过程,随着温度升高,氢键受到破坏,不利于吸附进行,且PSMP表面正静电势区域高于PTFE,因此PSMP对As(Ⅲ)的吸附量要高于PTFE。
此外,pH对微塑料吸附容量有着显著影响,这意味着微塑料对重金属离子的吸附主要由静电力驱动;同时,微塑料老化可能会使更多含氧官能团出现,也会对微塑料的吸附作用产生影响。Brennecke等[27]认为PVC和PS对Cu和Zn吸附主要是通过金属离子与微塑料表面的络合作用实现的,由于风化过程导致极性增加,以及生物膜和含氢沉淀物的积聚导致老化微塑料颗粒的吸附能力大于新塑料。

4 微塑料与重金属的复合效应对农作物生长的影响

目前针对土壤中微塑料与重金属对植物的复合毒性效应研究仍较为缺乏,多研究尝试从不同角度去解析这一复杂的相互作用机制及其对农作物生长的影响。就水稻而言,与Cd或单一微塑料作用相比,<100 mg/L的微塑料和<2 mg/L的Cd复合对水稻种子发芽的影响表现为协同作用,而>500 mg/L的微塑料与不同浓度的Cd复合时,却表现为拮抗作用[28]。PVC微塑料的存在会进一步增强Cd对苦草生长的抑制效果。此外,不同类型的微塑料对纳米氧化锌(nZnO)的生物有效性影响也各不相同。PE和PS能够降低nZnO的生物有效性,而PLA能增加nZnO的生物有效性,三者均减少Zn在植物地上部分的积累,改变nZnO对土壤微生物群落结构和多样性的影响[23],而土壤微生物群落的改变又会间接作用于农作物的生长环境。
在砷(As)污染方面,微塑料对农作物的影响同样复杂。微塑料会抑制胡萝卜和水稻吸收As,降低As对胡萝卜生长的不良影响[18]。PSMP和PTFE通过直接吸附As,影响根表面As的吸附位以及抑制水稻根系活性,干扰籽粒中As5+-As3+-一甲基砷-二甲基砷代谢途径以及非共生血红蛋白功能,损害水稻的叶绿体、光系统Ⅱ反应中心和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶活性。在不同浓度下,PSMP和PTFE对As毒性的影响也有差异。0.04 g/L和0.1 g/L的PSMP和PTFE可以降低As3+对水稻的毒性,而0.2 g/L PSMP和PTFE反而增加了As3+对水稻的毒性。此外,微塑料可以促进土壤中As的挥发,抑制植物对As的吸收[18]。
微塑料与重金属在土壤中的复合效应,通过直接或间接的多种途径,对农作物的生长发育、物质吸收与代谢以及内部生理机制产生多方面的影响,这些影响既取决于微塑料和重金属各自的浓度,也与它们的种类以及相互间复杂的交互作用密切相关,未来研究可重点关注微塑料-微生物-植物的三元交互机制。

5 农业土壤中微塑料与重金属复合污染研究展望

尽管微塑料对土壤产生的不利影响已受到重视,但微塑料与重金属在农业土壤环境中的互作和影响模式的研究尚不充分,今后可以从以下几个方面展开研究。
(1)微塑料粒径跨度大、化学组成复杂,当前在采样、预处理、鉴定、提取和分析方法等环节缺乏标准化操作程序,加之目前小样本量覆盖大调查面积的情况较多,数据可比性和参考价值差。应制定土壤微塑料的标准分离和检测方法,参考对空气悬浮颗粒物的分级方式,按粒径、形状、密度、化学组成细化分类,加强微塑料研究的方向性和效率。
(2)为控制实验变量,目前的研究多采用单一尺寸和化学组成的微塑料,与自然环境差异较大。未来应加强对农业土壤中不同来源、种类的初生和次生微塑料的研究,提高结果实际意义。
(3)微塑料对土壤的影响是多方面的,既改变土壤的理化性质,如土壤结构、孔隙度、酸碱度等,但又危害微生物多样性,影响土壤生态功能和作物品质。但这方面研究尚显不足,微塑料与有机及无机污染物的交互作用研究需要进一步综合考虑微生物、农作物等生物因素以及非生物因素的影响和效果,以全面了解微塑料在农业土壤环境中的复杂作用机制。
(4)在土壤中微塑料与重金属的相互作用研究中,现有研究主要关注微塑料对重金属的吸附,而重金属对微塑料的环境行为的影响研究甚少。在重金属等环境污染物共存的条件下,微塑料的老化、降解过程可能会发生改变,应加强这方面的研究,进而充分了解微塑料在农业土壤中的生态效应。

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