多种视角揭示了在土壤中优先暴露条件下，传统农业薄膜微塑料和可生物降解农业薄膜微塑料对镉的迁移及生态毒性的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Diverse Perspectives Illuminate the Migration and Ecotoxicity of Cadmium with Traditional and Biodegradable Agricultural Film Microplastics under Priority Exposure in Soil

微塑料优先输入通过改变土壤结构和孔隙特性促进镉迁移，导致浮萍产生氧化应激，揭示微塑料残留土壤中低镉含量与高生态风险的关联机制。

　　

姜少军|黄祖尔夫|陈勇|徐鹏|张俊豪

华南师范大学环境学院，中国广州510006

摘要

重金属（HMs）和微塑料（MPs）在土壤中普遍共存。然而，微塑料的优先输入如何调节土壤与镉（Cd）的相互作用以及由此产生的生态风险尚不明确。本研究结合了土壤培养、柱浸法和水葫芦生物测定实验，探讨了微塑料优先输入对土壤性质和镉在土壤中迁移的影响，并评估了其对水葫芦（Lemna minor）的毒性效应。结果表明，在短期培养实验中，微塑料的类型和剂量对土壤pH值没有显著影响，但显著影响了土壤有机质（DOM）、阳离子交换容量（CEC）、土壤团聚体及饱和水力传导性。微塑料的优先暴露对土壤结构和团聚体稳定性产生了负面影响。柱浸实验的结果表明，微塑料促进了镉的垂直迁移，其促进程度遵循PE > APE > PLA > APLA的顺序，并且随着微塑料剂量的增加而增强，从而降低了土壤颗粒保持镉的能力。这一现象主要通过两种机制解释：一是稀释效应降低了土壤的镉吸附能力；二是微塑料的高异质性破坏了土壤结构。值得注意的是，经过田间处理的微塑料虽然与土壤的相容性增强，但其增加镉迁移的能力却低于新鲜微塑料。在水葫芦中，镉和微塑料的共同暴露引发了氧化应激，表现为抗氧化酶活性和脂质过氧化水平的改变。重要的是，含有微塑料残留物的土壤（镉含量低）和不含微塑料的土壤（镉含量高）对水葫芦的生态风险相似，这表明微塑料的优先输入会加剧镉污染过程中的水生态风险。尽管短期实验存在局限性，但本研究为理解镉的迁移及其在含微塑料残留物土壤中的相关水生态风险提供了理论基础。

引言

塑料产品广泛应用于农业、医疗和工业制造等领域[1]、[2]。一旦释放到环境中，由于紫外线辐射、风化、生物降解等人为因素[3]、[4]，塑料会分解成微塑料（MPs）。农业塑料薄膜因其广泛使用和残留物而成为农田土壤中微塑料的主要来源，主要产生较大的碎片和纤维[5]。不可降解塑料如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC），以及可降解塑料如聚乳酸（PLA）和聚丁酸乙二醇酯（PBS）是土壤中最常见的塑料污染物，对环境和人类健康构成威胁[5]、[6]。微塑料的存在显著改变了土壤的物理化学性质和结构，从而影响土壤中污染物的环境行为[4]、[6]。土壤是微塑料和重金属（HMs）等污染物的主要汇。以往的研究主要关注微塑料和重金属同时进入或共存于土壤中的系统，重点研究它们的吸附-解吸行为和联合毒性[4]、[7]、[8]。在这些土壤-微塑料-重金属系统中，微塑料和重金属的进入顺序（是依次还是同时）受土壤结构的影响，这可能影响它们的共吸附行为[1]、[5]。在大量使用塑料的农业区，例如使用塑料薄膜的地区，由于薄膜的分解和破碎，会积累大量微塑料，形成持续的“人为背景水平”[9]、[10]、[11]。随后，镉等重金属通过灌溉、大气沉降和施肥等方式依次进入这些含有微塑料的土壤。我们假设，预先存在的微塑料对土壤环境起到了“预处理”的作用，可能深刻且不可逆地影响随后引入的重金属的命运和效应。

首先进入土壤的微塑料可以创建新的界面或微环境，其形成和性质受微塑料类型（可降解和不可降解）、颗粒大小、表面性质及土壤特性等因素的影响[5]、[12]。这些因素同时影响重金属的迁移、转化和生物利用度[13]、[14]、[15]、[16]。研究表明，微塑料通过三种主要途径调节镉的迁移、转化和生物利用度：改变土壤物理结构、修改化学性质以及影响生物过程[11]、[17]、[18]，从而放大或减轻土壤中重金属的环境风险[11]、[13]、[14]、[15]、[19]、[20]。在自然环境条件下，老化的微塑料通常会形成含氧功能团（如-COOH、-OH），通过络合作用吸附镉，从而改变其在土壤中的形态[12]、[20]、[21]、[22]、[23]。然而，可降解的农业薄膜与不可降解的薄膜不同，可降解微塑料降解速度更快，其积累的含氧功能团增强了重金属的迁移性[24]、[25]。在实际情况中，重金属和微塑料往往以顺序或交错的方式进入土壤[1]、[5]。无论微塑料还是重金属先进入土壤，这一顺序都会影响土壤颗粒对重金属的吸附-解吸行为[26]。尽管已经研究了重金属-微塑料或重金属-微塑料-土壤共存系统中的相互作用[11]、[26]、[27]、[28]、[29]，但微塑料（无论是不可降解的还是可降解的）在镉侵入土壤过程中的关键作用尚未得到充分探讨。阐明这些相互作用对于预测农业生态系统中微塑料和重金属的环境风险和命运至关重要。微塑料可以吸附镉，充当其“载体”。然而，一旦优先被土壤颗粒吸收，它们是增强还是抑制土壤颗粒对镉的吸收？它们的效应是否会随颗粒类型、浓度和老化状态动态变化？我们假设微塑料是镉生物利用度的动态调节因子，而不仅仅是静态的增强剂或抑制剂。

此外，关于这种污染物序列（微塑料-Cd）进入土壤对水生生态系统（特别是大型浮游水生植物）的影响的研究仍然很少[30]、[31]。为填补这一空白，我们选择了水葫芦（Lemna minor）作为模型水生植物，以评估微塑料和镉的顺序土壤污染对其生理和功能的影响。水葫芦在全球淡水生态系统中广泛分布，包括稻田灌溉渠道、池塘和缓流河流中，是农业水生环境中的常见初级生产者[31]。作为稻田生态系统和生态毒理学研究中常用的模式植物[32]，水葫芦具有无性繁殖和快速生长的特点，两天内生物量即可翻倍。它对污染物的高敏感性，以及其健康状况与水生食物网和水质的紧密联系，使其成为本研究的理想生物指标。

本研究有三个具体目标：首先，探讨传统和可降解农业薄膜微塑料（新鲜和自然老化的）优先输入对土壤性质和结构的影响；其次，阐明农业薄膜微塑料与镉在饱和多孔介质中的相互作用机制和共迁移行为；最后，研究水生水葫芦对这些共存污染物的顺序输入过程的生态毒性反应。本研究的结果对自然系统中微塑料和重金属污染的管理和修复具有重要的意义。

材料准备

材料制备

本研究中使用的微塑料来源于市售农业薄膜和田间风化的农业薄膜，包括传统的聚乙烯（PE）和可降解的聚乳酸（PLA）薄膜。为了模拟环境老化的微塑料，从同一地区的菜田收集了残留的田间风化农业薄膜。在处理之前，所有微塑料都经过0.1 M HNO?清洗，以去除表面吸附的重金属。

微塑料处理对土壤性质和结构的影响

添加塑料薄膜微塑料后，土壤pH值保持在5.69至5.93之间，没有明显的酸化或碱化趋势（图2a）。随着新鲜微塑料（PE/PLA）剂量的增加（0.05%至2.0%），土壤pH值略有波动，最大波动仅为2.9%，这可能与它们表面功能团（如羧基）的吸质子作用有关[1]、[4]、[38]、[39]、[40]。然而，高剂量的添加……

结论

本研究探讨了来自农业薄膜的微塑料优先进入土壤对其性质以及镉迁移和转化的影响。添加PE和PLA的处理组之间，土壤pH值、含水量和饱和水力传导性没有显著差异。然而，自然老化影响了微塑料对土壤性质和结构特征的影响。在土壤柱实验中，微塑料（类型和剂量）对镉的状态产生了不同的影响。

未引用的参考文献

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作者贡献声明

张俊豪：撰写——审稿与编辑，资金获取。黄祖尔夫：撰写——初稿，实验研究。姜少军：撰写——审稿与编辑，监督，数据分析，概念化。徐鹏：方法学，实验研究。陈勇：方法学，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢广东省基础与应用基础研究基金会（项目编号2024A1515012215）和广州市科技计划项目（2024A04J3591）的支持。