植物根际与渗滤液灌溉对半干旱填埋场土壤微塑料分布的影响研究

《Results in Engineering》：Investigating the Effect of Plant Presence and Leachate Irrigation on the Distribution of Microplastics in Different Soil Depths and the Rhizosphere

本研究针对填埋场作为微塑料热点源但根际作用机制不明的问题，通过对比伊朗卡拉杰Halgheh-Darreh填埋场中沙蒿（Ceratocarpus arenarius L.）根际与非根际土壤，揭示了植物存在和渗滤液灌溉对微塑料（MPs）垂直分布的协同影响。结果表明：植物与渗滤液共同作用使MPs丰度最高（1720 particles/kg），且根系促进小粒径MPs（<0.1 mm占比29%）向深层迁移。该研究为理解半干旱区填埋场MPs的归趋提供了直接证据，对污染防控具有重要意义。

　　

在塑料制品席卷全球的今天，它们以其耐用、轻便、成本低廉的特性深入人类生活的方方面面，但随之而来的“白色污染”已成为21世纪最严峻的环境挑战之一。据统计，全球塑料产量在2015年已达49亿吨，预计到205年将飙升至120亿吨。更令人担忧的是，这些进入环境的塑料废物会逐渐破碎成微塑料（Microplastics， MPs）——尺寸小于5毫米的塑料颗粒，甚至进一步降解为纳米塑料（<1微米）。这些微塑料不仅难以降解，还能吸附有毒物质，通过食物链传递，最终威胁生态系统和人类健康。

在众多微塑料污染源中，填埋场作为废弃物的最终归宿，堪称微塑料的“聚集地”和“孵化器”。丢弃的塑料垃圾在环境风化及化学作用下不断碎裂，使得填埋场及其周边土壤成为微塑料污染的重灾区。然而，与水生环境的研究热度相比，人们对填埋场这种陆地生态系统中微塑料的迁移转化行为了解甚少。尤其是一个关键但常被忽视的环节——植物根际（Rhizosphere），即植物根系周围受根系活动强烈影响的微域土壤。根际是土壤中物质和能量交换最活跃的区域，根系分泌物、根际微生物等如何影响微塑料的滞留和迁移？同时，在干旱半干旱地区的填埋场，为了控制渗滤液（Leachate）库存，常常会将其喷洒在周围土壤上进行蒸发处理，这种富含盐分和有机质的渗滤液灌溉，是否会成为微塑料向下迁移的“助推器”？植物根际与渗滤液灌溉之间是否存在协同效应？这些问题至今悬而未决。

为了解开这些谜团，来自德黑兰大学的研究团队Farzaneh Mirzabayati和Amir Hossein Hamidian将目光投向了伊朗卡拉杰的Halgheh-Darreh填埋场。他们以当地优势植物沙蒿（Ceratocarpus arenarius L.）为研究对象，开展了一项颇具现实意义的现场研究。沙蒿是一种具有风滚草特性的本地植物，它能自然定殖于填埋场边缘的恶劣环境中，其浅根系统和适应性强等特点使其成为研究根际-微塑料相互作用的理想模型。研究人员精心设计了实验方案，分别从有沙蒿生长和无植物的土壤区域，以及接受渗滤液灌溉和未灌溉的区域进行采样，并重点关注了三个土壤深度（0-3厘米， 3-6厘米， 6-20厘米）的微塑料分布情况。

本研究主要采用了现场采样与室内分析相结合的技术方法。关键在于从填埋场实地采集不同处理（植物存在与否、渗滤液灌溉与否）和不同深度的土壤样品，随后通过过氧化氢（H₂O₂）和芬顿（Fenton）试剂消化有机质，再利用氯化锌（ZnCl₂）溶液进行密度分离提取微塑料。通过光学显微镜观察、物理测试（如热针试验）并结合拉曼光谱（Raman spectroscopy）技术，对微塑料的丰度、尺寸、形状、颜色和聚合物类型进行了系统鉴定和统计分析。

3.1. 微塑料的丰度

研究结果清晰地揭示了植物和渗滤液对微塑料分布的显著影响。数据显示，同时存在植物和渗滤液灌溉的土壤中微塑料丰度最高，达到每公斤1720个颗粒；而无植物但接受渗滤液灌溉的土壤次之（1413 particles/kg）；有植物但无渗滤液灌溉的土壤中为953 particles/kg；丰度最低的是既无植物也无渗滤液灌溉的土壤，仅为562 particles/kg。统计分析（三因素方差分析）表明，土壤深度、植物存在和渗滤液灌溉三者均对微塑料丰度有极显著影响（p < 0.001），其中土壤深度解释的变异最大（约66.7%），其次是渗滤液灌溉（约26.6%）和植物存在（约3.6%）。一个有趣的发现是，在所有深度上，有植物生长的土壤其微塑料含量均高于对应的无植物土壤，这强有力地表明植物根际确实能够捕获和滞留微塑料。

3.2. 基于尺寸的微塑料频率

对微塑料颗粒按尺寸进行的分类统计显示，小粒径颗粒占主导地位。尺寸小于0.1毫米的颗粒占比最高，达到29.4%，紧随其后的是0.1-0.2毫米的颗粒（28.5%）。而0.2-1毫米和1-5毫米的较大颗粒占比分别为26%和16.1%。这种尺寸分布模式表明，在填埋场环境中，更小的微塑料颗粒更为丰富。尤其是在植物根际和渗滤液共同作用的区域，小颗粒（<0.1 mm）的比例更高，暗示着根系活动和渗滤液下渗可能共同促进了微塑料的破碎和向土壤深层的迁移。

3.3. 基于形状的微塑料频率

从形状上看，纤维（Fibers）是最常见的微塑料类型，占总数的34.4%，这很可能源于填埋场中废弃纺织品和衣物的降解。碎片（Fragments）占26.3%，薄膜（Films）占21.8%，而 pellets（通常来自个人护理品或工业原料）占17.5%。显微镜图像还显示，许多纤维表面存在裂纹和粗糙纹理，这是其在环境中长期风化或机械磨损的证据。

3.4. 基于颜色的微塑料频率

颜色分析表明，黑色（23.2%）和透明（20.4%）是微塑料最主要的颜色，这可能反映了填埋场废物中常见塑料类型（如黑色聚乙烯袋、透明包装材料）的普遍性。其他颜色如蓝色（16.6%）、白色（11.2%）、绿色（4.9%）、黄色（4.2%）和红色（2.9%）也有检出。颜色可能影响微塑料的环境行为，例如黑色颗粒吸收更多太阳辐射可能影响土壤温度。

3.5. 微塑料聚合物的类型

通过拉曼光谱鉴定聚合物组成发现，聚乙烯（Polyethylene， PE）和聚丙烯（Polypropylene， PP）是优势聚合物，分别占32%和28%，这与它们广泛用于包装材料且耐降解的特性一致。聚苯乙烯（Polystyrene， PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate， PET）也占相当比例，分别为21%和19%。不同聚合物对土壤微生物和植物根系的潜在生态效应可能有所不同。

3.6. 统计分析

深入的统计分析证实了深度、植物和渗滤液之间存在显著的交互作用。效应量估计再次强调了深度是影响微塑料分布的最主要因素。

综上所述，本研究提供了直接的现场证据，表明在半干旱填埋场土壤中，植物根际和渗滤液灌溉共同决定了微塑料的命运。沙蒿的根际环境不仅能够捕获和积累微塑料，起到“汇”的作用，同时其根系活动产生的孔隙和渗滤液下渗提供的水动力，又可能作为“通道”，促进较小粒径的微塑料向更深层土壤迁移。这种看似矛盾的“滞留”与“迁移”并存的现象，凸显了根际微环境在调控土壤污染物归趋中的复杂性和重要性。该研究将填埋场微塑料污染研究与植物根际生态过程相结合，弥补了该领域的研究空白，为了解和预测微塑料在陆地生态系统，特别是脆弱半干旱区填埋场环境中的行为提供了新的视角。研究成果对制定针对性的填埋场微塑料污染监测和管控策略具有重要的指导意义。未来研究可进一步通过控制实验揭示根际分泌物、微生物等具体机制，并在更多样化的填埋场环境中进行验证。