综述：聚乳酸微塑料对陆地和水生生态系统的影响：与传统微塑料相比更具威胁性吗？

《Journal of Environmental Sciences》：Environmental impacts of polylactic acid microplastics on terrestrial and aquatic ecosystems: more threatening compared to traditional microplastics?

微塑料污染治理中生物降解塑料PLA的环境行为及生态风险分析，重点探讨其与传统能源塑料的差异及影响机制。

　　

云和腾|张欣|周伟|段志辉|于建成|张海燕|张爱倩|傅建杰|姜贵斌

摘要

塑料的广泛使用带来了严重的环境挑战，尤其是微塑料（MPs，<5毫米）在生态系统中的积累。虽然基于聚乳酸（PLA）的可降解塑料在技术上是对传统聚合物的先进替代品，但实地研究表明，它们的环境降解过程经常会产生PLA微塑料，从而形成与石油基微塑料不同的新生态暴露途径。本文系统评估了PLA微塑料的环境影响，重点关注其对陆地和水生生态系统的影响。现有研究表明，PLA微塑料可能会扰乱碳和氮循环，改变微生物群落，影响土壤生物和植物健康，并可能作为污染物的载体，通过“塑料圈”的形成影响微生物多样性，还会在水生生物中引发毒理学反应。同时，PLA微塑料在多个方面与传统微塑料存在差异，例如提供额外的土壤碳源，影响土壤物理化学性质，在动物和植物中产生氧化应激，以及在与污染物共同暴露时表现出更强的毒性效应。尽管有越来越多的证据，但关于PLA微塑料的长期命运和生态风险仍存在知识空白。本综述基于现有研究成果，强调了在现实条件下对PLA微塑料进行综合和长期研究的必要性，并强调了将其环境行为与传统微塑料进行系统比较的必要性。未来的研究需要包括全面的生态毒理学评估、PLA微塑料与污染物和微生物群落的相互作用研究、标准化实验方案以及与传统微塑料的比较分析；还需要进行关于降解途径和生态系统影响的长期研究，以指导可持续塑料政策。

引言

塑料因其易于加工、耐用、重量轻和强度高而在包装、农业、制造业和建筑等多个领域变得不可或缺（Hink等人，2023年；Qin等人，2021年）。然而，其广泛使用导致大量塑料垃圾进入各种生态系统（Kardgar等人，2023年；Huang等人，2023年；Song等人，2023年；Shen等人，2019年）。随着时间的推移，紫外线辐射、生物活动和风化等环境因素会导致塑料废物的结构降解，使其分裂成更小的碎片（Huang等人，2023年；Liu等人，2020年）。小于5毫米的塑料碎片被称为微塑料（MPs），已成为一种新型的环境污染物（Thompson等人，2004年）。微塑料由于其环境持久性和逐步破碎特性，成为长期污染的主要来源，加剧了慢性环境风险（Barnes等人，2009年；Fossi等人，2016年；Shen等人，2019年）。可降解塑料被提出作为减轻塑料污染的潜在解决方案（Rujnic-Sokele和Pilipovic，2017年）。这些材料设计为在环境中快速降解或在堆肥条件下完全分解，理论上可以减少废物积累和环境负担（Lambert和Wagner，2017年；Tabone等人，2010年；Witt等人，1997年）。然而，实际降解性能往往未达到预期，它们仍可能产生微塑料污染（Shruti和Kutralam-Muniasamy，2019年）。聚乳酸（PLA）占可降解塑料市场份额的45%，因其广泛应用于薄膜、纤维和模制品等领域，被视为传统石油基塑料的有希望的替代品（Green等人，2019年）。2024年，全球PLA产量约为100万吨（Bioplastics，2024年）。然而，PLA在常温下的降解速度远低于预期，因此在短时间内难以在环境中完全降解（Kubowicz和Booth，2017年；Kalita等人，2019年）。此外，PLA分子结构中的酯键使其更容易水解，使其比传统塑料更脆弱、更容易破碎（Sintim等人，2019年）。这导致了PLA微塑料的生成；可降解塑料在环境中老化后可能产生的微塑料数量更多（Bao等人，2022年；Fojt等人，2020年）。此外，PLA独特的表面特性（富含含氧功能基团和酯键）使其与环境行为的研究更加重要（Huang等人，2023年；Guan等人，2022年；Wang等人，2022年）。

尽管关于可降解微塑料的研究越来越多，但现有综述往往缺乏对PLA微塑料独特特性的深入讨论。此外，也缺乏对PLA微塑料与非可降解石油基微塑料环境影响的深入比较。这一空白凸显了专门研究PLA微塑料及其生态后果的必要性。本综述旨在通过讨论PLA微塑料的环境影响来填补这些空白，重点关注以下方面：

(1)

PLA微塑料对土壤结构和物理化学性质的影响；

(2)

PLA微塑料对土壤微生物、植物和动物的影响；

(3)

PLA微塑料与微生物和水生生物的相互作用；

(4)

在特定情况下，PLA微塑料与传统微塑料的环境影响进行比较分析，并探讨在某些特定情况下PLA微塑料是否具有更高的环境或健康风险。

根据微塑料的一般定义，本文中的PLA微塑料是指尺寸小于5毫米的PLA碎片。需要注意的是，本综述仅关注纯PLA微塑料。

方法部分

方法论

本综述的主要内容是分析和讨论PLA微塑料在不同环境介质中的环境行为及其对相应生态系统的生物毒性，并在相似条件下比较PLA微塑料与传统石油基微塑料的环境行为和生物毒性，以确定PLA微塑料是否构成更大的环境威胁。已有研究探讨了传统微塑料和可降解微塑料的存在和影响

PLA微塑料在土壤中的生成和分析挑战

与其他可降解塑料类似，PLA在土壤中的降解过程包括两个步骤：破碎和降解（Shen等人，2020年）。在完全降解之前，PLA逐渐转化为不同粒径的微塑料。石油基塑料主要受物理和化学风化过程（如物理磨损、风蚀或水蚀以及紫外线辐射）的影响，逐渐分解成微塑料，而PLA结构中的酯键

PLA微塑料对水生污染物分布的影响

传统石油基微塑料已被确认为水生环境中的重要污染物。由于它们的密度与水相近、比表面积大且表面功能基团丰富，微塑料成为水生污染物的优良载体。同时，随着微塑料在水中的持续存在，其内部添加剂会逐渐渗入水中，成为潜在的污染源。通过磨损、高温、紫外线辐射和生物活动，微塑料会发生

结论与未来展望

作为最重要的且备受关注的可降解微塑料，PLA微塑料表现出与传统石油基微塑料不同的环境行为和影响。本综述强调了PLA微塑料对土壤和水生生态系统的多方面影响，特别是它们与物理化学性质、微生物群落、土壤生物和植物的相互作用。总体而言，当PLA微塑料与周围环境深度相互作用时，其环境影响和生物毒性更为显著

作者贡献

云和腾：概念化、方法论、软件开发、数据整理、可视化、初稿撰写。张欣：数据整理。周伟：数据整理、可视化。段志辉：可视化。于建成：数据整理。张爱倩：资源获取。傅建杰：监督、资金支持、撰写及审稿编辑。姜贵斌：监督、撰写及审稿编辑。所有作者均同意最终稿件的内容。

Wang等人，2022年

作者贡献声明

云和腾：初稿撰写、可视化、软件开发、方法论、数据整理、概念化。张欣：数据整理。周伟：可视化、数据整理。段志辉：可视化。于建成：数据整理。张海燕：资源获取。张爱倩：撰写及审稿编辑、监督、资金获取。姜贵斌：撰写及审稿编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了中国科学院战略性重点研究计划（编号：XDB0750100）、国家自然科学基金（编号：22376044）、中国科学院青年创新促进会（编号：2022020）以及杭州高等研究院研究基金（编号：2023HIAS-P005）的支持。