聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料对孟加拉国两个地区农业土壤养分动态的影响：一项实验室培养研究

《Microplastics》：Effects of Polypropylene and Polyethylene Terephthalate Microplastics on Nutrient Dynamics in Agricultural Soils: A Laboratory Incubation Study from Two Regions in Bangladesh

　　

微塑料（Microplastic, MP）污染农业土壤是一个新兴的环境问题，因为MP可能改变土壤理化性质和养分动态。然而，关于南亚农业系统中聚合物依赖性和土壤依赖性响应的信息仍然有限。本研究调查了聚丙烯（Polypropylene, PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）微塑料（≤20 μm）对孟加拉国Gazipur和Mymensingh农业土壤pH值和溶解离子浓度的时间效应。研究人员制备了土壤-MP复合体系，MP负载量为1%（w/w），并在受控实验室条件下培养30天，分别在第1、15和30天进行测量。通过离子色谱法测定了NH4+、Na+、SO42?、Cl?和Br?的浓度。结果显示，土壤pH值和离子浓度存在显著的时间和处理依赖性变化。含PP的体系中NH4+变化显著，而添加PET的Mymensingh土壤中SO42?和Br?变化显著。Na+在培养期间普遍下降，而Cl?表现出显著的短期波动。主成分分析（PCA）识别出所测离子间的不同模式，三个组分解释了总方差的91.471%。这些发现表明，在受控实验室条件下，PP和PET微塑料可能与养分和离子动态的变化相关，其响应因聚合物类型、土壤特性和培养时间而异。然而，单一的MP浓度、较短的培养周期、有限的聚合物类型、非无菌的实验条件以及不完整的氮形态分析限制了对田间条件的直接外推。未来需要采用环境现实浓度、更长的培养周期、多样化和老化的聚合物、完整的氮形态分析以及土壤-植物或田间系统的进一步研究，以阐明MP污染在农业土壤中的广泛影响。

研究背景与现存问题

塑料材料因其耐用性、多功能性和低成本已成为现代社会不可或缺的一部分。全球塑料产量从1950年的约200万吨急剧增长至近年来的每年超过4亿吨。然而，塑料制品的广泛使用和不当处置带来了显著的环境挑战。大型塑料碎片通过物理磨损、紫外线辐射、热老化和生物降解逐渐破碎，产生尺寸通常小于5毫米的微塑料（Microplastics, MPs）。由于MPs的持久性、微小尺寸和抗降解性，它们已成为陆地、淡水和海洋生态系统中普遍存在的污染物。尽管最初对MP污染的研究集中于海洋环境，但越来越多的证据表明，陆地生态系统，特别是农业土壤，可能是MP的主要储库。事实上，农业土壤中MP的浓度常被报告超过水生环境，因为土壤持续接收来自多种人类活动的塑料输入，包括地膜覆盖、温室薄膜、污水污泥施用、堆肥和有机肥料、废水灌溉、大气沉降、轮胎磨损颗粒以及废弃塑料材料的降解。

氮是决定土壤肥力和作物生产力的最重要养分之一。已有研究报告称，MP污染通过改变微生物活性和土壤环境条件来影响氮转化过程。同样，MP已被证明会影响硫循环和硫酸盐（SO₄^2?）的迁移性，SO₄^2?是参与蛋白质合成和植物代谢的必需营养素。此外，MP引起的土壤结构和水流变化可能影响钠（Na⁺）、氯离子（Cl^?）和溴离子（Br^?）等移动离子的运移和滞留，从而可能影响土壤盐度、养分平衡和离子交换过程。在众多聚合物类型中，聚丙烯（Polypropylene, PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）是环境中含量最丰富且与环境最相关的微塑料。由于聚合物组成、密度、结晶度、疏水性、表面化学和降解行为的差异，PP和PET可能与土壤颗粒、微生物和溶解养分的相互作用方式不同。

尽管MP在土壤中的分布已被广泛记录，但在不同土壤条件下其对溶解养分动态影响方面仍存在显著知识空白。大多数先前研究集中在MP丰度、环境分布、生态风险以及与有机污染物的相互作用上，而关于MP如何影响植物必需养分和溶解离子迁移性、滞留和转化的研究相对较少。此外，现有研究大多在欧洲、北美和中国进行，来自南亚农业系统的信息仍然匮乏。因此，本研究旨在调查PP和PET微塑料吸附诱导的孟加拉国Gazipur和Mymensingh两种对比农业土壤中植物养分浓度的变化，评估MP污染对养分循环、土壤肥力和可持续农业管理的影响。

研究方法概述

研究人员从孟加拉国Gazipur和Mymensingh两个代表性农业区域采集路边农业土壤样本，这两个区域具有不同的环境背景、土地利用模式和土壤特性。土壤样本经2.0 mm尼龙筛过筛后，使用振动筛分仪进一步筛分至≤20 μm粒径。商业购买的原始PP和PET微塑料（粒径≤20 μm）以1%（w/w）的悬浮液形式施加。每个实验单元由50 mg土壤和/或0.5 mg微塑料与20 mL Milli-Q水混合而成。制备的土壤-MP复合体系在25±1°C的受控实验室条件下培养30天，在第1、15和30天取样，每组设置3个重复。提取前，悬浮液在超声波浴中于30°C处理30分钟以促进离子释放，随后离心并过滤。使用离子色谱（Ion Chromatography, IC）系统（Dionex ICS-1600）分析滤液中NH₄⁺、Na⁺、SO₄^2?、Cl^?和Br^?的浓度。数据分析使用Microsoft Excel 2016和IBM SPSS Statistics 25进行，采用描述性统计、斯皮尔曼等级相关分析和主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）。

研究结果

3.1 微塑料添加后pH值的变化

大多数土壤-MP复合体系的pH值在培养后升高，但变化幅度因土壤类型和微塑料组成而异。例如，S1M1（Gazipur土壤+PP）从第1天的7.1升至第15天的7.9并保持稳定，而S2M1（Mymensingh土壤+PP）从7.3持续上升至第30天的8.2。S2M2（Mymensingh土壤+PET）表现出特别明显的波动，pH值在第15天升至8.3，随后在第30天降至6.7。这表明MP暴露可能通过离子交换、质子动力学变化和微生物过程影响土壤酸碱平衡。

3.2 土壤-MP体系中铵（NH₄⁺）的动态变化

S1M1中NH₄⁺浓度从第1天的83.3 mg kg^?1显著增加至第15天的1259.4 mg kg^?1，随后在第30天降至295.5 mg kg^?1。S2M1从第1天的未检出水平增至第30天的1878.6 mg kg^?1。相比之下，PET处理的体系表现出不同的响应，S1M2变化较为温和，而S2M2则变化显著。结果表明NH₄⁺响应取决于土壤特性和聚合物处理。

3.3 土壤-MP复合体系中钠（Na⁺）的动态变化

Na⁺在可检测到的体系中总体呈下降趋势。S2M1M2（Mymensingh土壤+PP+PET）从第1天的约124 mg kg^?1降至第30天的约7 mg kg^?1。S2M2从约54 mg kg^?1降至第30天未检出。这反映了离子在土壤-MP体系中的分配、滞留或再分布变化。

3.4 土壤-MP复合体系中硫酸盐（SO₄^2?）的动态变化

第1天SO₄^2?浓度在复合体系中约为240-430 mg kg^?1。到第15天，多数体系浓度上升，如S1M1达约440 mg kg^?1。然而，到第30天，除S1M1M2（Gazipur土壤+PP+PET）仍可检测到约67 mg kg^?1外，其余体系均降至未检出水平。这表明硫酸盐有效性存在强烈的时间变化。

3.5 土壤-MP复合体系中氯离子（Cl^?）的动态变化

Cl^?浓度表现出显著的时间和处理依赖性变化。第15天，多数体系Cl^?浓度大幅上升，S1M1高达3904.5 mg kg^?1。到第30天，各处理间差异显著，S2M2进一步升至712.1 mg kg^?1，而S1M1降至未检出水平。这表明Cl^?有效性随土壤类型、聚合物处理和培养时间而变化。

3.6 土壤-MP复合体系中溴离子（Br^?）的动态变化

Br^?浓度在培养前15天多数体系上升，S1M1最高达约1220 mg kg^?1。到第30天，除S2M2显著积累至约2300 mg kg^?1外，其余体系均降至未检出水平。这种差异表明Br^?行为取决于特定的土壤-MP组合。

3.7 斯皮尔曼相关性分析

分析显示NH₄⁺与Na⁺呈显著负相关（r = -0.349, p < 0.01）。SO₄^2?与Br^?呈强正相关（r = 0.897, p < 0.01），表明两者浓度模式相似。SO₄^2?与Cl^?以及Cl^?与Br^?也呈中等程度正相关。

3.8 聚合物特性对养分动态的影响

PP和PET处理之间的对比响应表明，聚合物特异性性质在调节养分动态中起重要作用。PP的高疏水性和低密度可能影响土壤团聚、孔隙结构和水分运动。PET含有含氧官能团，可能增强与水分子的亲和力，从而影响吸附-解吸过程和离子迁移性。S2M2中SO₄^2?和Br^?的异常高浓度表明PET可能增强了这些离子从土壤结合态向水相的释放。

3.9 主成分分析（PCA）

PCA保留了三个特征值大于1的主成分，共解释总方差的91.471%。PC1（44.235%方差）与Br^?（载荷0.959）和SO₄^2?（0.933）强正相关。PC2（26.444%方差）主要由NH₄⁺（0.872）的正载荷表征。这证实了离子响应因土壤类型、聚合物处理和培养阶段而异。

讨论与结论

本研究证明了PP和PET微塑料（≤20 μm）与孟加拉国Gazipur和Mymensingh农业土壤pH值以及NH₄⁺、Na⁺、SO₄^2?、Cl^?和Br^?浓度的时间变化相关联。响应随聚合物类型、土壤特性和培养时间而变化，表明微塑料-养分相互作用是系统依赖性的。含PP的体系显示出NH₄⁺的显著变化，而添加PET的Mymensingh土壤则表现出SO₄^2?和Br^?的显著变化。Na⁺在培养期间普遍下降，而Cl^?表现出显著的短期波动。PCA进一步识别出所测离子间的不同模式，三个保留组分解释了总方差的91.471%。

这些发现提供了PP和PET暴露后潜在养分和离子动态变化的实验室证据，但并未建立特定的微生物、矿化、硝化、吸附或运输机制。单一1%（w/w）MP浓度、30天培养、两种原始聚合物类型、非无菌土壤以及不完整的氮形态分析限制了对田间效应的直接外推。未来研究应优先考虑环境现实浓度梯度、环境老化和多样化的聚合物、长期实验、完整的NH₄⁺-NO₂^?-NO₃^?表征、微生物和养分转化过程的直接测量，以及土壤-植物和田间规模的验证。