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土壤微/纳米塑料对植物的毒害效应及防治措施研究进展

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王海龙, 卢春梅, 王晓明, 许嘉慧, 高嘉, 杨凌馨, 杨文思, 唐好悦, 曹艳茹. 土壤微/纳米塑料对植物的毒害效应及防治措施研究进展[J]. 环境化学. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024091101
引用本文: 王海龙, 卢春梅, 王晓明, 许嘉慧, 高嘉, 杨凌馨, 杨文思, 唐好悦, 曹艳茹. 土壤微/纳米塑料对植物的毒害效应及防治措施研究进展[J]. 环境化学. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024091101
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WANG Hailong, LU Chunmei, WANG Xiaoming, XU Jiahui, GAO Jia, YANG Lingxin, YANG Wensi, TANG Haoyue, CAO Yanru. Recent advances on the toxic effects of soil micro/nanoplastics on plants and mitigation measures[J]. Environmental Chemistry. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024091101
Citation: WANG Hailong, LU Chunmei, WANG Xiaoming, XU Jiahui, GAO Jia, YANG Lingxin, YANG Wensi, TANG Haoyue, CAO Yanru. Recent advances on the toxic effects of soil micro/nanoplastics on plants and mitigation measures[J]. Environmental Chemistry. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024091101
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土壤微/纳米塑料对植物的毒害效应及防治措施研究进展

  • 1.

    昆明学院，农学与生命科学学院，昆明 ，650214

  • 2.

    昆明学院，农业资源利用科技创新团队，昆明，650214

    • 通讯作者: Tel：15969541638，E-mail：yanrucao3@aliyun.com
  • 基金项目:
    云南省教育厅科学研究基金 ( 2024Y730, 2024Y732 )，云南省基础研究专项( 202301AT070051 )和大学生创新创业训练计划项目( S202311393071 )资助.

  • 中图分类号: X53；O6

  • CSTR: 32061.14.hjhx.2024091101

Recent advances on the toxic effects of soil micro/nanoplastics on plants and mitigation measures

  • 1.

    College of Agriculture and Life Science, Kunming University, Kunming, 650214, China

  • 2.

    Scientific and Technological Innovation Team for Agricultural Resource Utilization, Kunming University, Kunming, 650214, China

    • Corresponding author: CAO Yanru, yanrucao3@aliyun.com
  • Fund Project: the Scientific Research Fundation of the Education Department of Yunnan Provincial (2024Y730, 2024Y732)、The Applied Basic Research Foundation of Yunnan Province (202301AT070051) and College Student Innovation and Entrepreneurship Training Program Project (202301AT070051)

  • 摘要: 微/纳米塑料（M/NPs）污染已成为近年环境领域备受关注的问题之一. M/NPs进入土壤后，能吸附在植物种子或根系表面，抑制种子的发芽和根系生长，进而阻碍植物对养分的吸收，干扰其生理代谢过程，造成植物生长的直接危害. 此外，M/NPs还通过改变土壤理化性质、微生物群落组成、增强土壤污染物的有效性等途径，间接对植物生长产生危害. 本文重点总结了土壤中M/NPs对植物生长的毒害作用研究进展，概述了生物降解、外源土壤改良剂添加等缓解M/NPs对植物毒害效应的措施，并对未来研究减轻土壤M/NPs对植物毒害的策略进行了展望，为未来防治土壤M/NPs污染对植物的毒害提供了参考.
    Abstract: The contamination caused by micro/nanoplastics (M/NPs) has gained a lot of attention in the environmental area in recent years. Once in the soil, M/NPs can adsorb on the surfaces of plant seeds or roots, preventing seed germination and root growth. This prevents plants from absorbing nutrients and interferes with their physiological metabolism, which directly affects plant growth. Furthermore, by changing the physical and chemical characteristics of the soil, the composition of the microorganisms, and the efficiency of soil pollutants, M/NPs also adversely affected plant growth indirectly. The research on the toxic effect of soil M/NPs on plant growth is summarized in this paper, along with various mitigation strategies, including biodegradation and the addition of exogenous soil amendments, to lessen the negative effects of M/NPs on plants. We also look ahead to future research strategies to reduce the toxicity of soil M/NPs on plants, which provides important information for future efforts to prevent and manage M/NPs pollution in soils.
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  • 图 1  土壤微/纳米塑料对植物的危害

    Figure 1.  Harm of soil M/NPs to plants

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    图 2  缓解M/NPs对植物毒害的措施

    Figure 2.  Measures to alleviate the toxicity of M/NPs to plants

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    表 1  M/NPs对植物生长的直接影响

    Table 1.  The direct effects of M/NPs on plant growth

    部位/指标
    Organs/
    Indicator    		 毒性效应
    Effect of toxicity    		 M/NPs种类、
    大小、浓度
    Types, sizes, and concentrations of M/NPs    		 植物
    Plant    		 具体影响
    Specific impacts    		 参考文献
    Reference
    对植物生长的影响 种子 吸附于种皮表面，阻塞种皮孔隙，引起种子氧化应激反应，塑料添加剂毒害，抑制种子萌发 PS-NPs，100 nm，200、400、800、
    1600 mg·L−1    		 菠菜
    Spinacia oleracea L.    		 发芽率随浓度的升高显著降低，且在1 600 mg·L−1时发芽率最低为15% [18]
    PE-MPs，13 μm和
    58 μm，2%（W/W）    		 玉米
    Zea mays L.
    黄瓜
    Cucumis sativus L.    		 粒径为13 μm时玉米种子发芽率降低16%；粒径为58 μm时黄瓜种子发芽率降低22%； [19]
    PAEs，50、
    100 mg·kg−1，    		 绿豆
    Phaseolus radiatus L    		 种子发芽率分别降低37.5%和62.5% [20]
    根 吸附在根系表面，阻断根系离子通道，对根系孔壁造成物理损伤，阻碍根系吸收营养物质、降低根系生物量 PP-MPs和RC-MPs，100 μm，1%（W/W） 花生
    Arachis hypogaea L.    		 总根长分别降低18.51%和48.78%；根瘤数和重量在RC-MPs处理下分别减少43.35%和58.52% [21]
    PMF-MPs，长度
    2.87 mm，直径
    87 μm，0.5%（W/W）    		 玉米
    Zea mays L.    		 对氮元素的吸收减少约30% [22]
    PS-NPs，100—
    700 nm，50 mg·L−1    		 黄瓜
    Cucumis sativus L.    		 穿透根系表皮，聚集在根系细胞壁之间的间隙中，造成根系损伤 [23]
    HDPE-MPs，20 μm，0.2 g·kg−1 草莓
    Fragaria ananassa    		 根系生物量减少35% [24]
    茎 抑制茎生长，降低茎的生物量 HDPE-MPs，20 μm，0.2 g·kg−1 草莓
    Fragaria ananassa    		 草莓茎粗降低38% [24]
    PS-MPs、PE-MPs和PP-MPs，5—10 μm，0.01%和0.1%（W/W） 生菜
    Lactuca sativa L.    		 茎长减少18%—44.44% [25]
    叶 堵塞叶片气孔，引起氧化应激，干扰叶片生长，减小叶面积和叶数 PVC-MPs,，<15 μm，0.54、1.62和2.70 g/kg 大豆
    Glycine max    		 叶面积分别降低6.2%、12.7%和9.9% [26]
    PE-MPs和PP-MPs，125 μm，0.02%（W/W） 家独行菜
    Lepidium Sativum L.    		 叶片数分别减少20%—55.56%和20%—33.33% [27]
    PVC-MPs，40—
    50 µm，0.02%，0.1%、0.2%（W/W）    		 西葫芦
    Cucurbita pepo L    		 叶面积分别降低25.62%、23.97%、23.97%， [28]
    植物
    产量    		 降低果实数及果实生物量 PET-MPs、PVC-MPs，40—50 µm，0.5%（W/W） 番茄
    Solanum lycopersicum L.    		 果实数分别减少25%和15% [29]
    PP-MPs和PES-MPs，长度3 mm，直径0.03mm，0.4%（W/W） 大豆
    Glycine max
    花生
    Arachis hypogaea L.    		 PP-MPs和PES-MPs使大豆的百粒重分别降低5.56%、4.16%；PP-MPs使花生百粒重减少12.39% [30]
    植物
    品质    		 降低果实营养物质
    含量    		 HDPE-MPs、PVC-MPs，10 µm，0.002%（W/W） 辣椒
    Capsicum annuum L.    		 果实中的维生素a分别下降28.19%、32.09%，不溶性膳食纤维分别下降38.66%、35.13%，微量元素Ca、K、Mg和Zn的含量降低 [31]
    PS-MPs，25—
    850 µm，1%（W/W）    		 小白菜
    Brassica campestris L.    		 淀粉含量降低30.4%—73.2%，P、Fe等营养元素含量也降低 [32]
    对植物生理代谢过程的影响 光合
    系统    		 抑制叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素的合成 PE-MPs，150 μm，500、1000、
    1500 mg·kg−1    		 紫花地丁
    Viola philippica    		 叶片中叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量较对照组降低3.2%—27.9%、8.5%—23.3%和2.5%—26.7% [33]
    LDPE-MPs，
    <200 μm，5%、10%（W/W）    		 柳叶空心菜
    Ipomoea aquatica forsk    		 在种植第二茬后，叶片中总叶绿素和类胡萝卜素含量分别减少约14.01%、16.04%和17.34、18.66% [34]
    PP-MPs，13 µm，
    1.0 g·L−1    		 生菜
    Lactuca sativa L.    		 生菜叶片中的叶绿素a和类胡萝卜素含量显著降低了26.1%和29.9% [35]
    抗氧
    化系统    		 扰乱氧化还原稳态，造成氧化损伤 PLA-MPs，75 μm，1%、5%、10%（W/W） 紫花苜蓿
    Medicago sativa L.    		 叶片中SOD、POD、CAT活性和MDA含量随浓度的升高而增加，10%时活性分别增强56.68%、121.51%、85.63%、67.30% [36]
    对植物生理代谢过程的影响 抗氧
    化系统    		 扰乱氧化还原稳态，造成氧化损伤 PS-NPs，100 nm，1、10、50 mg·kg−1 小麦
    Triticum aestivum L.    		 叶片中POD活性升高54.79%—73.69%，SOD降低9.62%—20.27%，CAT活性降低11.25%—56.26% [37]
    渗透
    系统    		 影响细胞间渗透压
    平衡    		 PS-NPs，100、300、500、700 nm，50 mg·L−1 黄瓜
    Cucumis sativus L.    		 叶片中的可溶性糖含量分别降低约9%、52%、35%、39% [23]
    LDPE-MPs，500 μm，1%、3%（W/W） 大豆
    Glycine max    		 叶中可溶性糖含量分别提高2.59倍、2.24倍；可溶性蛋白分别提升高19.81%和61.57% [38]
    　　注：PP-MPs：聚丙烯微塑料；PE-MPs：聚乙烯微塑料；PS-MPs：聚苯乙烯微塑料；PS-NPs：聚苯乙烯纳米塑料；PMF-MPs：聚酯纤维微塑料；PVC-MPs：聚氯乙烯微塑料；PET-MPs：聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料；PES-MPs：聚酯微塑料；HDPE-MPs：高密度聚乙烯微塑料；LDPE-MPs：低密度聚乙烯微塑料；PLA-MPs：聚乳酸微塑料；RC-MPs：橡胶屑微塑料；PBAT-MPs：聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯微塑料；PA-MPs：聚酰胺微塑料；PAEs：邻苯二甲酸酯.
    部位/指标
    Organs/
    Indicator    		 毒性效应
    Effect of toxicity    		 M/NPs种类、
    大小、浓度
    Types, sizes, and concentrations of M/NPs    		 植物
    Plant    		 具体影响
    Specific impacts    		 参考文献
    Reference
    对植物生长的影响 种子 吸附于种皮表面，阻塞种皮孔隙，引起种子氧化应激反应，塑料添加剂毒害，抑制种子萌发 PS-NPs，100 nm，200、400、800、
    1600 mg·L−1    		 菠菜
    Spinacia oleracea L.    		 发芽率随浓度的升高显著降低，且在1 600 mg·L−1时发芽率最低为15% [18]
    PE-MPs，13 μm和
    58 μm，2%（W/W）    		 玉米
    Zea mays L.
    黄瓜
    Cucumis sativus L.    		 粒径为13 μm时玉米种子发芽率降低16%；粒径为58 μm时黄瓜种子发芽率降低22%； [19]
    PAEs，50、
    100 mg·kg−1，    		 绿豆
    Phaseolus radiatus L    		 种子发芽率分别降低37.5%和62.5% [20]
    根 吸附在根系表面，阻断根系离子通道，对根系孔壁造成物理损伤，阻碍根系吸收营养物质、降低根系生物量 PP-MPs和RC-MPs，100 μm，1%（W/W） 花生
    Arachis hypogaea L.    		 总根长分别降低18.51%和48.78%；根瘤数和重量在RC-MPs处理下分别减少43.35%和58.52% [21]
    PMF-MPs，长度
    2.87 mm，直径
    87 μm，0.5%（W/W）    		 玉米
    Zea mays L.    		 对氮元素的吸收减少约30% [22]
    PS-NPs，100—
    700 nm，50 mg·L−1    		 黄瓜
    Cucumis sativus L.    		 穿透根系表皮，聚集在根系细胞壁之间的间隙中，造成根系损伤 [23]
    HDPE-MPs，20 μm，0.2 g·kg−1 草莓
    Fragaria ananassa    		 根系生物量减少35% [24]
    茎 抑制茎生长，降低茎的生物量 HDPE-MPs，20 μm，0.2 g·kg−1 草莓
    Fragaria ananassa    		 草莓茎粗降低38% [24]
    PS-MPs、PE-MPs和PP-MPs，5—10 μm，0.01%和0.1%（W/W） 生菜
    Lactuca sativa L.    		 茎长减少18%—44.44% [25]
    叶 堵塞叶片气孔，引起氧化应激，干扰叶片生长，减小叶面积和叶数 PVC-MPs,，<15 μm，0.54、1.62和2.70 g/kg 大豆
    Glycine max    		 叶面积分别降低6.2%、12.7%和9.9% [26]
    PE-MPs和PP-MPs，125 μm，0.02%（W/W） 家独行菜
    Lepidium Sativum L.    		 叶片数分别减少20%—55.56%和20%—33.33% [27]
    PVC-MPs，40—
    50 µm，0.02%，0.1%、0.2%（W/W）    		 西葫芦
    Cucurbita pepo L    		 叶面积分别降低25.62%、23.97%、23.97%， [28]
    植物
    产量    		 降低果实数及果实生物量 PET-MPs、PVC-MPs，40—50 µm，0.5%（W/W） 番茄
    Solanum lycopersicum L.    		 果实数分别减少25%和15% [29]
    PP-MPs和PES-MPs，长度3 mm，直径0.03mm，0.4%（W/W） 大豆
    Glycine max
    花生
    Arachis hypogaea L.    		 PP-MPs和PES-MPs使大豆的百粒重分别降低5.56%、4.16%；PP-MPs使花生百粒重减少12.39% [30]
    植物
    品质    		 降低果实营养物质
    含量    		 HDPE-MPs、PVC-MPs，10 µm，0.002%（W/W） 辣椒
    Capsicum annuum L.    		 果实中的维生素a分别下降28.19%、32.09%，不溶性膳食纤维分别下降38.66%、35.13%，微量元素Ca、K、Mg和Zn的含量降低 [31]
    PS-MPs，25—
    850 µm，1%（W/W）    		 小白菜
    Brassica campestris L.    		 淀粉含量降低30.4%—73.2%，P、Fe等营养元素含量也降低 [32]
    对植物生理代谢过程的影响 光合
    系统    		 抑制叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素的合成 PE-MPs，150 μm，500、1000、
    1500 mg·kg−1    		 紫花地丁
    Viola philippica    		 叶片中叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量较对照组降低3.2%—27.9%、8.5%—23.3%和2.5%—26.7% [33]
    LDPE-MPs，
    <200 μm，5%、10%（W/W）    		 柳叶空心菜
    Ipomoea aquatica forsk    		 在种植第二茬后，叶片中总叶绿素和类胡萝卜素含量分别减少约14.01%、16.04%和17.34、18.66% [34]
    PP-MPs，13 µm，
    1.0 g·L−1    		 生菜
    Lactuca sativa L.    		 生菜叶片中的叶绿素a和类胡萝卜素含量显著降低了26.1%和29.9% [35]
    抗氧
    化系统    		 扰乱氧化还原稳态，造成氧化损伤 PLA-MPs，75 μm，1%、5%、10%（W/W） 紫花苜蓿
    Medicago sativa L.    		 叶片中SOD、POD、CAT活性和MDA含量随浓度的升高而增加，10%时活性分别增强56.68%、121.51%、85.63%、67.30% [36]
    对植物生理代谢过程的影响 抗氧
    化系统    		 扰乱氧化还原稳态，造成氧化损伤 PS-NPs，100 nm，1、10、50 mg·kg−1 小麦
    Triticum aestivum L.    		 叶片中POD活性升高54.79%—73.69%，SOD降低9.62%—20.27%，CAT活性降低11.25%—56.26% [37]
    渗透
    系统    		 影响细胞间渗透压
    平衡    		 PS-NPs，100、300、500、700 nm，50 mg·L−1 黄瓜
    Cucumis sativus L.    		 叶片中的可溶性糖含量分别降低约9%、52%、35%、39% [23]
    LDPE-MPs，500 μm，1%、3%（W/W） 大豆
    Glycine max    		 叶中可溶性糖含量分别提高2.59倍、2.24倍；可溶性蛋白分别提升高19.81%和61.57% [38]
    　　注：PP-MPs：聚丙烯微塑料；PE-MPs：聚乙烯微塑料；PS-MPs：聚苯乙烯微塑料；PS-NPs：聚苯乙烯纳米塑料；PMF-MPs：聚酯纤维微塑料；PVC-MPs：聚氯乙烯微塑料；PET-MPs：聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料；PES-MPs：聚酯微塑料；HDPE-MPs：高密度聚乙烯微塑料；LDPE-MPs：低密度聚乙烯微塑料；PLA-MPs：聚乳酸微塑料；RC-MPs：橡胶屑微塑料；PBAT-MPs：聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯微塑料；PA-MPs：聚酰胺微塑料；PAEs：邻苯二甲酸酯.
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    表 2  M/NPs对植物生长的正面影响

    Table 2.  The positive effects of M/NPs on plant growth

    MPs种类
    Types of MPs    		MPs浓度
    MPs concentration    		植物
    Plant    		具体影响
    Specific impacts    		参考文献
    Reference
    PE-MPs10 mg·kg−1蚕豆
    Vicia faba    		地上部分长度、鲜重分别增加9.87%、6.67%[53]
    LDPE-MPs0.2%柳叶空心菜
    Ipomoea aquatica Forsk    		叶片中的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量
    分别增加约13.04%、10.20%和7.58%    		[34]
    LDPE-MPs3%大豆
    Glycine max    		大豆地上和地下部分生物量分别增加7.82%和108.94%[38]
    LDPE-MPs0.2%—10%柳叶空心菜
    Ipomoea aquatica Forsk    		柳叶空心菜地上部分生物量增加10.08%—28.19%，
    地下部分生物量显著增加5.97%—20.25%    		[34]
    PET-MPs0.02%—0.2%西葫
    Cucurbita pepo L.    		西葫芦叶面积分别增加3.97%—11.68%[28]
    PA-MPs2%洋葱
    Allium fistulosum    		鳞茎含水量增加2倍[54]
    PES-MPs鳞茎干生物量增加1倍
    MPs种类
    Types of MPs    		MPs浓度
    MPs concentration    		植物
    Plant    		具体影响
    Specific impacts    		参考文献
    Reference
    PE-MPs10 mg·kg−1蚕豆
    Vicia faba    		地上部分长度、鲜重分别增加9.87%、6.67%[53]
    LDPE-MPs0.2%柳叶空心菜
    Ipomoea aquatica Forsk    		叶片中的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量
    分别增加约13.04%、10.20%和7.58%    		[34]
    LDPE-MPs3%大豆
    Glycine max    		大豆地上和地下部分生物量分别增加7.82%和108.94%[38]
    LDPE-MPs0.2%—10%柳叶空心菜
    Ipomoea aquatica Forsk    		柳叶空心菜地上部分生物量增加10.08%—28.19%，
    地下部分生物量显著增加5.97%—20.25%    		[34]
    PET-MPs0.02%—0.2%西葫
    Cucurbita pepo L.    		西葫芦叶面积分别增加3.97%—11.68%[28]
    PA-MPs2%洋葱
    Allium fistulosum    		鳞茎含水量增加2倍[54]
    PES-MPs鳞茎干生物量增加1倍
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  • [1] 侯军华, 檀文炳, 余红, 等. 土壤环境中微塑料的污染现状及其影响研究进展[J]. 环境工程, 2020, 38(2): 16-27,15.

    HOU J H, TAN W B, YU H, et al. Microplastics in soil ecosystem: A review on sources, fate and ecological impact[J]. Environmental Engineering, 2020, 38(2): 16-27,15 (in Chinese).

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-11
  • 录用日期:  2025-01-09
王海龙, 卢春梅, 王晓明, 许嘉慧, 高嘉, 杨凌馨, 杨文思, 唐好悦, 曹艳茹. 土壤微/纳米塑料对植物的毒害效应及防治措施研究进展[J]. 环境化学. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024091101
引用本文: 王海龙, 卢春梅, 王晓明, 许嘉慧, 高嘉, 杨凌馨, 杨文思, 唐好悦, 曹艳茹. 土壤微/纳米塑料对植物的毒害效应及防治措施研究进展[J]. 环境化学. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024091101
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WANG Hailong, LU Chunmei, WANG Xiaoming, XU Jiahui, GAO Jia, YANG Lingxin, YANG Wensi, TANG Haoyue, CAO Yanru. Recent advances on the toxic effects of soil micro/nanoplastics on plants and mitigation measures[J]. Environmental Chemistry. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024091101
Citation: WANG Hailong, LU Chunmei, WANG Xiaoming, XU Jiahui, GAO Jia, YANG Lingxin, YANG Wensi, TANG Haoyue, CAO Yanru. Recent advances on the toxic effects of soil micro/nanoplastics on plants and mitigation measures[J]. Environmental Chemistry. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024091101
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土壤微/纳米塑料对植物的毒害效应及防治措施研究进展

    通讯作者: Tel：15969541638，E-mail：yanrucao3@aliyun.com
  • 1. 昆明学院，农学与生命科学学院，昆明 ，650214
  • 2. 昆明学院，农业资源利用科技创新团队，昆明，650214
  • 收稿日期:  2024-09-11
  • 录用日期:  2025-01-09
  • 网络出版日期:  2025-03-22
基金项目:
云南省教育厅科学研究基金 ( 2024Y730, 2024Y732 )，云南省基础研究专项( 202301AT070051 )和大学生创新创业训练计划项目( S202311393071 )资助.

摘要: 微/纳米塑料（M/NPs）污染已成为近年环境领域备受关注的问题之一. M/NPs进入土壤后，能吸附在植物种子或根系表面，抑制种子的发芽和根系生长，进而阻碍植物对养分的吸收，干扰其生理代谢过程，造成植物生长的直接危害. 此外，M/NPs还通过改变土壤理化性质、微生物群落组成、增强土壤污染物的有效性等途径，间接对植物生长产生危害. 本文重点总结了土壤中M/NPs对植物生长的毒害作用研究进展，概述了生物降解、外源土壤改良剂添加等缓解M/NPs对植物毒害效应的措施，并对未来研究减轻土壤M/NPs对植物毒害的策略进行了展望，为未来防治土壤M/NPs污染对植物的毒害提供了参考.

English Abstract

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  • 塑料材料自发明问世以来，就凭借着价格低廉、可塑性好、经久耐用等特性，被广泛应用于农业、工业、医药、食品等众多领域中[1]. 据统计，1950—2017年全球塑料累计生产约92亿t，预计到2050年，全球塑料累计产量将增长到330亿t[2]. 庞大的塑料产量造成大量塑料废弃物进入到环境中，可持续留存数年甚至上百年[3]，尤其生物基塑料出现以前，以石油、天然气等为原料聚合而成的高分子化合物，结构稳定，在自然环境中极难降解[4]. 每年数亿吨塑料废弃物的产出和其缓慢的降解效率，使地球陷入了巨大的塑料污染危机.

    2004年，Thompson[5]首次提出“微塑料（microplastics, MPs）”的概念，此后MPs对环境和生物的潜在影响被更多学者关注. MPs是指粒径在1 μm—5 mm的塑料碎片和颗粒，而纳米塑料（nanoplastics，NPs）则是粒径小于1 μm的塑料颗粒[6]. 塑料制品受到物理磨损、太阳照射和生物活动等环境和生物因素的综合作用而被破碎裂解成的小粒径塑料颗粒[5]，以及人为制造生产的如肥料、护理产品、医疗用具中的塑料颗粒等是环境微/纳塑料（M/NPs）的主要来源[7]. 据统计，全球超过30%的塑料最终会进入土壤生态系统，使土壤生态系统遭受严重的M/NPs污染，最终威胁以土地为基本生产资料的农业生产[8]. 进入土壤中的M/NPs，会通过影响植物的根系性状、改变植物的组织元素组成等方式抑制植物生长[9]，最终导致作物的品质和产量下降[10]. 土壤M/NPs还能改变土壤的结构和理化性质，影响土壤内水分和养分循环，干扰土壤微生物群落结构，从而间接地影响植物生长. 可见，土壤M/NPs不但损害了土壤生态系统的功能和生物多样性，还对农业的可持续发展构成了严重威胁[11].

    土壤M/NPs对农作物生长的危害引起了越来越多学者的关注. 但目前大多研究是针对土壤M/NPs对农作物危害的探讨研究[12]，对于如何治理土壤M/NPs污染及缓解其对植物的危害研究报道较少. 由于M/NPs污染具有分布广、污染土壤面积大、难回收等特点，一些传统的塑料处理方法，如光降解[13]、热降解[14]等方法难以运用于M/NPs治理，因此对于土壤M/NPs的防治仍主要采用源头防控为主，即减少塑料制品向土壤环境的输出，或是采用可降解塑料制品. 近年一些研究发现，部分生物可通过自身生理活动使M/NPs内部化学键断裂产生低聚物和单体[15 - 16]，加速塑料的降解，从而减轻土壤M/NPs污染. 本文总结了M/NPs对植物造成的危害及极少量促进植物生长的报道，在此基础上重点探讨了一些防治土壤M/NPs对植物产生毒害效应的潜在措施，以期为土壤M/NPs污染治理和减轻其对植物毒害效应的研究提供参考.

    • 1.   微/纳塑料对植物的直接影响（The direct effects of M/NPs on plants）

    • 大量研究表明，M/NPs在土壤中的迁移和持久性对植物的各项生理指标均有影响，毒性效应与M/NPs的粒径和浓度密切相关.

      • 1.1.   M/NPs对植物生长的负面作用

    • 土壤M/NPs会通过吸附作用聚集在种子表皮、植物根及根毛等部位，部分粒径较小的M/NPs则能够被植物根系吸收并随着蒸腾作用在植株内移动，从而对植物生长产生危害[17]，主要表现为对发芽、根的生长、株高和生物量等的影响（表1）.

      种子萌发是植物生长的重要时期，然而土壤M/NPs会吸附在种子表面，阻碍种子对水分和营养物质的吸收，抑制或延迟种子发芽[39]. 研究发现，500、4800 nm的M/NPs通过阻塞家独行菜种皮的孔隙，阻碍种子吸收水分和氧气，抑制种子的萌发[40]. 同时M/NPs的阻碍作用还使得种子内外物质交换受阻，干扰种子的呼吸作用. Guo等[41]发现PS-MPs使白车轴草（Trifolium repens）、诸葛菜（Orychophragmus violaceus）、凤仙花（Impatiens balsaminaI）种子发芽率均显著降低. 此外，塑料中的邻苯二甲酸酯、酚类、阻燃剂等[42]添加剂也会对种子产生毒害作用，抑制种子发芽，阻碍根系生长[20, 43].

      同样，M/NPs吸附在根系表面，阻碍根系对水分和营养物质的吸收，抑制了根系的生长发育（图1）. Yu等[44]发现，质量分数为0.2%—1%的PBAT-MPs处理大豆和玉米后，二者根系生物量最高降低40%和61%；粒径更小的M/NPs还会进入到根系中，阻断根系的离子通道，阻碍营养物质的传递. Ingraffia等[22]发现，质量分数为0.5%的PMF-MPs使玉米地上和地下部分氮含量较对照组分别减少约30%. M/NPs表面的不规则性还会对根系孔壁造成机械损伤，加剧对植物的危害程度. Liu等[21]发现，100 μm的PP-MPs和RC-MPs具有锋利的边缘，能够破坏根尖细胞的质膜，同时使木质部导管数量减少32.98%和58.51%，进而抑制了根系生长.

      M/NPs对植物根系造成的营养物质吸收障碍以及对根系的机械损伤继而对植物的茎、叶、果实产量和品质带来一系列影响. 质量分数为0.1%的PE-MPs使生菜茎生物量较对照降低52.26%[25]；0.25—1 mg·mL−1的PS-MPs，可使生菜茎长降低12.40%[45]. M/NPs通过茎组织进入叶片后，堵塞叶片气孔，阻碍光合作用和呼吸作用. Wu等[46]发现1 μm的PVC-MPs阻断芜菁（Brassica rapa）的气孔，减少叶片中的气体交换. M/NPs对植物叶片生长的抑制作用还表现为叶面积、叶片数和生物量的减少等，如PVC-MPs处理，可使大豆叶面积降低12.7%[26]；质量分数为0.02%的PE-MPs和PP-MP则使家独行菜叶片数降低高达55.56%和33.33%[27]. M/NPs给植物造成的不良影响往往是连锁的，如0.25—1 mg·mL−1的PS-MPs，不但使生菜的叶生物量减少22.53%，还使根生物量减少18.24%；同时茎长降低12.40%，根长降低19.47%[45].

      M/NPs除了对植物根、茎、叶产生的一系列不利影响，还威胁作物的产量和品质，如PET-MPs和PVC-MPs使番茄的果实数下降15%-25%[29]；PP-MPs和PES-MPs导致大豆百粒重减少5.56%和4.16%，PP-MPs还使花生百粒重减少12.39%[30]；PVC-MPs和HDPE-MPs处理辣椒植株后，辣椒中的维生素a、不溶性膳食纤维和微量元素Ca、K、Mg和Zn的含量都降低[31]. 土壤M/NPs通过吸附在种子及根系表面、对根系造成机械损伤等方式，阻碍植物对营养物质的吸收，使得植物生物量、产品产量以及品质下降，给农业生产造成损失.

      • 1.2.   M/NPs对植物生理代谢过程的负面作用

    • 土壤M/NPs除了造成植物生长的一系列障碍外，还使得植物的生理代谢活动发生了一系列变化（表1，图1）. M/NPs由于静电作用，及植物根系分泌物等粘性物质的作用吸附于植物根系表面，抑制了植物对营养元素的吸收，进而导致与叶绿素合成相关的蛋白酶合成受阻，最终导致叶绿色合成前体及叶绿素含量下降[47]. Shen等[48]将1 μm、50 mg·kg−1的PS-MPs施加于土壤，导致水稻（Oryza sativa L.）中叶绿素合成前体Proto IX、Mg-Proto IX、Pchlide的含量分别降低18.4%、36.36%、20.83%. 牛佳瑞等[33]发现，浓度高于500 mg·kg−1的PE-MPs导致紫花地丁叶片中叶绿素a、叶绿素b以及总叶绿素含量减少27.9%、23.3%和26.7%.

      面对土壤M/NPs带给植物生长的一系列威胁，植物往往可以通过改变细胞渗透压来缓解逆境带来的损害，而可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸是重要的渗透调节物质，其在植物体内的积累或代谢决定了细胞的渗透压[49 - 50]. 研究发现，500 μm，质量分数为0.1%—3%的LDPE-MPs使大豆植株可溶性糖含量较对照组提高1.17—2.59倍，可溶性蛋白含量升高19.81%—61.57%[38]；浓度为1 000 mg·L−1的PS-MPs处理蒲公英（Taraxacum mongolicum）后，其体内的脯氨酸含量增加58.43%，以上渗透调节物质浓度的增加提高了蒲公英抵抗PS-MPs胁迫的能力[51]. 在M/NPs胁迫下，植物会通过主动调节细胞渗透物质的含量以改善体内渗透平衡，从而适应由M/NPs导致的环境胁迫. 但M/NPs粒径减小后，加剧抑制植物的光合作用，导致植株内的可溶性蛋白和可溶性糖等物质含量降低，干扰植物正常的渗透调节功能，降低对环境胁迫的耐性. 粒径为300 nm的PS-NPs处理黄瓜后，其叶片中的可溶性糖含量降低52%[23]；小麦在1—100 mg·kg−1、100 nm的PS-NPs处理后，叶片中可溶性蛋白含量呈现先升高后降低的趋势[37].

      土壤M/NPs带来的氧化损害使得植物的一些抗氧化酶活性升高. 韩锋等[35]用13 μm，0.1—1.0 g·L−1的PP-MPs和PE-MPs处理土壤后种植生菜，发现生菜叶和根部的SOD、POD、CAT活性分别增加了3.0—15.0倍、1.25—2.64倍、2.8—12.0倍；紫花苜蓿在LDPE-MPs和PLA-MPs处理下，植株内的SOD、POD、CAT活性和MDA含量随微塑料质量分数（0.1%—10%）升高而增加，说明M/NPs浓度越高对紫花苜蓿带来的氧化胁迫越严重[36]. 粒径较小的M/NPs会进入植株内，对植物产生更为严重的氧化胁迫，如18—150 μm的PVC-MPs对生菜根部的抗氧化酶活性未产生显著影响，而100 nm—18 μm的PVC-M/NPs则引起生菜根部SOD活性升高[52]. 因此，高浓度以及小粒径的M/NPs更容易造成植物的氧化应激.

      • 1.3.   M/NPs对植物生长的正面影响

    • 目前，大多数研究显示M/NPs会对植物生长产生危害，但由于土壤的复杂性，加之塑料材质种类、粒径大小、浓度、形状及植物种类的多样性，极少部分研究显示M/NPs能够促进植物生长（表2）. 叶子琪等[53]发现10 mg·kg−1的PE-MPs可以使蚕豆（Vicia faba）地上部分长度、鲜重分别增加9.87%、6.67%，而浓度提高到500 mg·kg−1后，蚕豆地上部分长度、鲜重分别降低15.79%和16.53%；质量分数为1%的LDPE-MPs处理土壤后，大豆地上和地下部分生物量降低16.07%和10.03%，而质量分数为3%的LDPE-MPs则使大豆地上和地下部分生物量分别增加7.82%和108.94%[38]. 以上研究表明，M/NPs的浓度与其对植物生长影响的利弊密切相关. 此外，M/NPs对植物生长的影响还与M/NPs种类相关. Colzi等[28]发现质量分数为0.02%的PVC-MPs会导致西葫芦叶面积降低25.62%，而相同质量分数下PET-MPs则使叶面积增加11.68%. de Souza Machado等[54]研究发现，质量分数相同（2%）的PET-MPs、PS-MPs、PA-MPs使大葱（Allium fistulosum L.）总生物量增加，而PEHD-MPs和PP-MPs则对大葱的总生物量无显著影响. 目前，M/NPs对植物产生积极影响的相关机制仍不清楚，未来还需进一步研究.

    2.   M/NPs对植物生长的间接影响（Indirect effects of M/NPs on plant growth）

    • 土壤M/NPs除了直接影响植物生长外，还会改变土壤的理化性质及微生物群落组成，甚至与其他污染物形成复合污染物，从而给植物生长带来间接危害.

      • 2.1.   M/NP改变土壤理化性质与酶活性

    • 土壤是植物生存的重要环境，其物理、化学性质的改变会对植物的生长产生影响. 大量研究表明，M/NPs会改变土壤的pH、土壤团聚体结构、容重、土壤持水量和酶活性等，这些土壤性质的改变给植物生长带来了一系列间接影响[55].

      pH是土壤重要的理化性质，其升高或降低会影响土壤营养物质的有效性和分布，进而影响植物生长[56]. 研究发现，PBAT-MPs和PES-MPs会导致土壤pH升高[30, 57]；HDPE-MPs、PP-MPs和PE-MPs则会降低土壤pH[58 - 60]，究其原因是不同种类的M/NPs表面积不同，吸附带正电或带负电的离子以及胶体物质的量不同，从而改变土壤溶液中的离子交换，最终导致土壤pH值改变[61].

      M/NPs进入土壤后会吸附在土壤颗粒表面，由于其密度低于土壤，会降低土壤容重，从而影响土壤碳、氮的储存. Zhou等[30]发现质量分数为0.4%的PP-MPs降低了种植花生、玉米土壤的土壤容重（13.46%、1.96%），最终导致花生和玉米百粒重分别降低12.5%、8.33%；质量分数为1%的PVC-MPs使水稻土中有效氮和有效磷分别降低10%和30%[62]；质量分数为5%的PE-MPs处理导致土壤速效钾降低19.94%[60]. 除了影响土壤容重和养分含量外，M/NPs还会干扰土壤的储水能力. 直径2 mm的PE-MPs可显著增加土壤水分的蒸发速率，导致土壤中水分丧失过快，进而对植物生长产生不利影响[63]. M/NPs还可以通过吸附作用引发土壤团聚体结构的改变. 聚酯纤维和聚丙烯酸微塑料能使土壤团聚体稳定性降低，而聚乙烯碎片微塑料则使土壤团聚体稳定性升高[64]，土壤团聚体结构的稳定性与M/NPs的形状有关.

      土壤酶作为土壤健康变化的指标[65]，参与物质分解、养分循环等过程，常会对土壤胁迫做出快速响应. Awet等[66]研究发现，10—1000 ng·g−1的PS-MPs会使土壤中亮氨酸氨基肽酶、纤维二糖水解酶、β-葡聚糖苷酶、碱性磷酸酶含量减少；Yu等[67]发现，0.5 μm，10 g·kg−1的PE-MPs处理后，土壤中纤维素酶、脲酶和脱氢酶活性分别降低45%、28.9%和28.2%，导致空心菜中的K、Ca、Na、Mg等营养元素浓度降低，说明PE-MPs降低土壤酶活性后影响了土壤中的养分循环过程，抑制了空心菜对养分的吸收.

      • 2.2.   M/NPs改变土壤微生物群落结构

    • 微生物是土壤的重要组成部分，对土壤的形成发育、物质循环和肥力演变等具有重大影响，是土壤和植物健康的支柱生产力. 合成群落实验表明，微生物多样性对植物生长具有积极影响. 植物根际微生物多样性的增加显著增强了植物生物量[68].

      环境中的M/NPs充当了“特殊的微生物蓄积器”. M/NPs进入土壤后，会在植物根系周围聚集，同时吸附土壤中的微生物从而形成特有生物膜，往往是一些降解M/NPs的微生物，如放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、变形菌门（Proteobacteria）以及壶菌门（Chytridiomycota）、隐真菌门（Cryptomycota）、子囊菌门（Ascomycota）等. 特有生物膜的形成加速了M/NPs的降解，却降低了微生物的群落多样性[69]，该过程导致植物根际微生物群落结构和功能发生改变，进而对植物生长产生影响[55, 70]. M/NPs会通过阻碍微生物的生长和繁殖，同时其含有的增塑剂等化合物也会直接损害微生物细胞或引发生理毒性反应. 尚耘旭等人[71]发现不同浓度（5%、10%）的PE-MPs显著降低了土壤微生物多样性，且对植物根际微生物群落造成了更显著的影响. Ya等[72]发现质量分数为5%的LDPE-MPs显著降低了节杆菌属（Arthrobacter）、芽孢杆菌属（Bacillus）和芽殖球菌属（Blastococcus）等有益细菌的相对丰度. Fei等[73]发现5%的PVC-MPs和LDPE-MPs显著降低了土壤中参与氮循环的伯克氏菌科（Burkholderiaceae）、黄色杆菌科（Xanthobacteraceae）、鞘脂单胞菌科（Sphingomonadaceae）等细菌类群的丰度，削弱了土壤微生物的氮循环代谢能力. 真菌群落对MPs的反应比细菌群落更敏感，PE-MPs处理增加了土壤中子囊菌门（Ascomycota）的丰度，而PE-MPs、PVC-MPs、PS-MPs处理则降低了担子菌门（Basidiomycota）和壶菌门（Chytridiomycota）的丰度[74]. 综上，M/NPs通过打破土壤和植物根际原有的微生物群落结构对植物生长造成间接影响.

      • 2.3.   M/NPs复合多种污染物对植物产生危害

    • M/NPs有较大的比表面积，因此具有载体效应，进入土壤后能够通过分配作用和表面吸附作用与环境中的重金属以及有机污染物相结合，从而对植物产生毒性，同时通过增加摄入浓度、加剧组织损伤等方式增强M/NPs的毒性[75]（图1）.

      • 2.3.1.   M/NPs和重金属复合污染对植物的危害

    • M/NPs表面携带的负电荷，能与带正电的重金属离子（如Cu2+、Pb2+、Cd2+等）发生静电吸附作用，进而增强了重金属生物有效性，呈现出复合毒性[76]. PET-MPs可以作为载体将Cd、Pb和Zn等3种重金属迁移至小麦根际后进行释放，促进重金属向小麦体内的转移[77]. Jia等[78]将欧洲油菜（Brassica napus L.）种植在PE-MPs处理过的含Cu2+和 Pb2+土壤中后，油菜中的Cu2+、Pb2+含量较单一Cu2+和单一Pb2+处理增加了9.25%和7.45%. M/NPs与重金属的联合毒性受到M/NPs老化程度的影响. 王沛恒等人[79]发现随着M/NPs颗粒老化程度的增加，其对Cd2+的吸附能力逐渐增强，造成的复合毒性也增加. 顾馨悦等[80]发现经10个月光照暴露形成的老化PVC-MPs与Cd2+复合后，较单独Cd2+处理小麦对Cd2+的富集量显著提高约32%，严重抑制了小麦根系生物量的积累.

      • 2.3.2.   M/NPs和有机污染物复合对植物的危害

    • 由于M/NPs具有较强的疏水性以及较大的比表面积，能与疏水性较强的三环唑（TRI）、滴滴涕（DDTs）、2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）、多氯联苯（PCBs）等有机污染物发生强烈的吸附作用，增强有机污染物对植物的毒害作用[81]. 研究表明，PS-MPs和邻苯二甲酸二丁酯（DBP，5 mg·L−1）复合污染降低了红叶生菜（Lactuca sativa L. Red Sails）的光合参数和总叶绿素含量，且植株中H2O2和MDA含量显著增加，说明复合污染造成植物体内氧化损伤严重，对红叶生菜的生长产生了不良影响[82]. 王成伟等[83]也发现，PS-MPs和DBP复合污染加剧了对生菜的毒害作用，使总叶绿素含量较单独的PS-MPS和DBP处理下降了3.4%和9.32%.

      土壤中残留的抗生素也是一大类有机污染物，会对植物生长产生不良影响，如干扰叶绿素的合成，抑制植物根系的生长等[84]. 土壤中残留的抗生素被M/NPs吸附后，增加了植物与抗生素接触的时间，增强抗生素对植物的潜在危害. PS-MPs与环丙沙星（CIP）复合污染，对黑麦草根长和鲜重增长的抑制率增加了53.7%和79.6%，且叶绿素a、b含量降低了38.5%和44.4%，说明两者复合处理加剧了对植物的复合毒性[85]. Khan[86]发现PS-MPs与诺氟沙星（NF）、磺胺嘧啶（SFD）复合处理后，茼蒿（Chrysanthemum coronarium L）叶中的NF和SFD浓度较单一抗生素处理分别增加2.95、14.24 μg·kg−1，在根中分别增加130.68、109.53 μg·kg−1，说明M/NPs增加了植物对抗生素的吸收量，进一步增强对植物的毒害.

    3.   缓解M/NPs对植物毒害的措施（Measures to mitigate the toxicity of M/NPs to plants）

    • 自然界长期风化形成的M/NPs垃圾遍布各地且已经渗透到土壤之中，难以再次收集或者聚集起来，因此处理大块塑料垃圾的方法，以及过滤技术、混凝技术、膜分离技术、活性污泥法等去除水体M/NPs的技术[87 - 88]难以在土壤中实施；化学方法中的降解剂、氧化剂处理等则会造成环境扰动并产生二次污染. 因此，目前人们仍在努力寻找高效、经济和环境友好的技术来减少和清除土壤M/NPs污染. 本文通过查阅文献，总结了一些用于清除或防治土壤M/NPs对植物毒害作用的潜在措施.

      • 3.1.   土壤中M/NPs的生物降解

    • 越来越多的研究表明，一些生物及其产生的酶可对土壤M/NPs进行降解，对环境破坏较小，符合绿色发展的要求，具有较为广阔的研究与应用前景[13].

      • 3.1.1.   微生物降解M/NPs

    • 目前报道的能够降解塑料的生物主要集中于微生物. 微生物首先可以通过自身分泌物粘附于M/NPs表面进行生长，再通过物理和代谢等作用将塑料高聚体分解为小分子，最终矿化为CO2、H2O、CH4等物质[89]. 目前研究人员已从不同环境中分离筛选出了一些对M/NPs具有降解能力的菌株. Habib等[90]从南极土壤中分离到的假单胞菌 ADL15（Pseudomonas sp.）和红球菌 ADL36（Rhodococcus sp.）在培养40d后，对PP-MPs的降解率分别为17.3%和7.3%；Orr等人[91]从用PE地膜覆盖的土壤中分离出一株能以PE作为唯一碳源的红球菌 C208（Rhodococcus ruber C208），培养30 d后对PE的降解率可达8%；Jiang等人[92]从垃圾填埋场的废弃塑料中分离出一株对聚氨酯（PUR）有降解能力的芽生葡萄孢酵母属菌株G-9（Blastobotrys sp.），培育21 d后对PUR的降解率高达60%. Pang等[93]从海滩或盐碱地的塑料垃圾及其周围土壤中分离出了对聚己内酯（PCL）具有降解能力的55株细菌和184株真菌，表明从塑料垃圾上分离塑料降解菌株是获取M/NPs生物降解资源的高效途径. 以上筛选到的塑料降解菌为研究M/NPs的生物治理提供了菌株保障.

      研究发现，多菌株组合可以提高微生物对M/NPs的降解能力. Guo等[94]从环境中分离出对M/NPs具有降解能力的芽孢杆菌属（Bacillus）、不动杆菌属（Acinetobacter）和假单胞菌属（Pseudomonas）的20株菌，并将其构建成一个微生物群落，发现该微生物群落对聚羟基丁酸戊酯（PHBV）、聚乙烯醇（PVA）、聚乳酸（PLA）等都有较好的降解能力. Skariyachan等[95]从塑料垃圾处理区筛选出3株菌，Enterobacter sp. 01、Enterobacter sp. 02、Pantoea sp. 03，将3株菌组合培养120 d时，能使LDPE薄膜和LDPE颗粒的重量分别减少81%和38%，相较于单一菌株处理降解量提高了10%—17%. 以上研究表明，微生物群落具有较高的塑料降解潜力，因此探究降解M/NPs的微生物组合是研究M/NPs生物降解的重要方向.

      除了微生物外，黄粉虫、大麦虫、大蜡螟、黑粉虫等昆虫也被证明可以取食塑料[96]. 杨宇等[97]给300只大麦虫喂食PS塑料泡沫28 d后发现，36.7％的PS泡沫分解成了CO2，并证实了肠道菌群在PS泡沫的生物降解中起关键作用. Yang等[98]发现黄粉虫摄食PS塑料后，PS塑料主要被肠道中的多种微生物降解或矿化为CO2. 动物通过咀嚼作用将塑料碎片化，提高了肠道微生物的降解效率，随后塑料被肠道微生物及其酶降解为CO2和H2O. Przemieniecki等[99]用PS喂食大麦虫后，其肠道中与氮转换和循环相关的土壤杆菌属（Agrobacterium）、亚硝酸菌属（Nitrosomonas）和硝化螺旋菌属（Nitrospira）占主导地位，改善了大麦虫降解PS时肠道中氮循环的不平衡，同时肠道细菌分泌的碱性磷酸酶、酸性磷酸酶和酯酶等与PS降解有关的水解酶活性增加，从而促进了PS的降解，进一步证明了大麦虫肠道微生物及其酶在降解PS过程中发挥了重要作用.

      • 3.1.2.   生物酶降解M/NPs

    • 来自微生物或者动物的PET水解酶、角质酶、脂酶和酯酶等酶类能特异性识别塑料分子中的化学键（如酯键或碳-碳键），并通过底物结合、活性位点催化反应等过程破坏塑料高分子链，即解聚，从而加快M/NPs的降解[100]. Sulaiman等[101]利用宏基因组学的方法从叶枝堆肥中分离出一种角质酶LCC（leaf-branch compost cutinase），1 mg的该酶在pH 8.0和50℃条件下，对PET的降解活性为12 mg·h−1；Tournier等[102]通过基因工程将角质酶LCC进行了改进，该改进的角质酶LCC在10 h内可将90%的PET酶解成对苯二甲酸，降解速率高达16.7 g·h−1. Yoshida等[103]从细菌Ideonella sakaiensis 201-F6中分离出PETase和MHETase两种酶，二者能够水解PET和反应中间体对苯二甲酸单（2-羟乙基）酯，最终将PET转化为对苯二甲酸和乙二醇.

      研究人员还发现锰过氧化物酶、漆酶和木质素过氧化物酶等酶能促进PE、PS、PVC等M/NPs的降解. 链格孢菌（Alternaria alternata）能在LDPE表面定殖，并产生使LDPE-MPs化学键发生水解或裂解的漆酶和锰过氧化物酶，并通过氧化作用形成羰基、羧基、羟基等含氧官能团，最终矿化为CO2、H2O等[13]；木质素过氧化物酶具有降解PS的能力，降解后的塑料表面粗糙度增加，并形成苯乙烯单体，最终作为某些微生物的碳源进入三羧酸循环（TCA循环），被完全矿化为CO2和H2O[104]. 以上研究表明，塑料降解酶也是研究土壤M/NPs污染治理的重要方向之一.

      • 3.1.3.   动/植物在土壤M/NPs污染修复中的作用

    • 蚯蚓作为土壤动物的主要类群，不仅在改善土壤结构和提高土壤肥力等方面发挥重要作用，也是土壤污染的“清洁工”. 蚯蚓可以通过咀食作用减少M/NPs的粒径. Meng等[105]通过试验发现LDPE-MPs在经过蚯蚓肠道后，小粒径（20—113 µm）MPs比例显著增加，由8.4%增加到18.8%. 经蚯蚓排出的M/NPs表面会带有蚯蚓未消化的营养物质，从而富集更多微生物[106]，加快M/NPs的降解. 此外，蚯蚓活动可以改善M/NPs污染土壤的理化性质和微生物群落结构，缓解M/NPs对植物的毒害（图2）. 蚯蚓可以通过掘穴、排泄、取食等方式改善土壤结构并加速有机质的分解[107]. 马云等[108]证实了蚯蚓在PP-MPs污染的土壤中可以增加土壤脱氢酶、蔗糖酶、脲酶活性，从而促进土壤养分循环；蚯蚓粘液和蚓粪还可以增加PE-MPs和PLA-MPs污染土壤中NH4-N和土壤有机质（SOM）含量，同时提高了土壤微生物生物量和群落稳定性[109]. Shi[110]研究发现，蚯蚓活动可以促进PP-MPs和PE-MPs污染土壤中氮的矿化，使土壤NH4-N含量增加50.5%—68.1%，番茄地上部分和根系根中增加12%—13%和13%—14%. Qi等[111]在LDPE-MPs污染的土壤中添加蚯蚓，发现小麦（Triticum aestivum）的分蘖数、果实数、生物量、叶面积、叶数等指标都有明显改善；Li[112]向PE-MPs和PVC-MPs污染的土壤中添加蚯蚓后种植玉米，结果发现蚯蚓显著提高了土壤微生物的生物量和群落多样性指数，并且增加了土壤中水稳性团聚体、改善了土壤排水和通气性，也降低了植物中MDA含量和抗氧化酶活性，使玉米生物量、根长和总根面积等有所提高，同时玉米根、茎、叶中营养物质含量随蚯蚓密度的增加而增加. 可见，蚯蚓在促进M/NPs的降解，以及缓解M/NPs对植物毒害的过程中具有重要作用.

      研究发现，较小的NPs能进入植物体内，如烟草植物可吸收20—40 nm的PS-NPs[113]；生菜可吸收100 nm和500 nm的PS-NPs，并能将其从根部运输到茎和叶中[114]；蚕豆和小麦可在根系中积累100 nm的PS-NPs[115 - 116]. 此外，少量研究发现一定浓度的N/MPs可促进一些植物的生物量增加（表2）. 以上发现启发思考，未来是否可以筛选一些观赏性花卉、林木等非食用性的植物，并探究其在M/NPs治理中的潜力.

      • 3.2.   非生物因素缓解M/NPs对植物的毒害

    • 土壤改良剂如生物炭、动物粪便、纳米材料和植物残体等，常用于改善土壤质量. 土壤改良剂不仅能改善土壤理化性质，提高土壤肥力，还可以通过改善土壤微生物群落结构[117 - 118]来缓解M/NPs对植物产生的不良影响（图2）.

      • 3.2.1.   施用生物炭减轻M/NPs对植物的毒害

    • 生物炭是一种良好的土壤改良剂，其具有特殊的孔隙结构以及较大的比表面积，即能吸附并固定土壤污染物，同时含有N、P、K等多种养分元素，能提高土壤养分[119]. 邹晓燕等[120]通过试验发现，向PLA-MPs污染的土壤中施入鸡粪生物炭后土壤pH由酸性变为碱性，减缓了速效磷和速效钾的流失，提高了土壤脲酶活性，改善了土壤营养；Palansooriya等[121]将四种生物炭添加到LDPE-MPs污染的土壤中发现，4种生物炭均能不同程度地提高土壤pH，土壤细菌群落多样性也增加；Ran[122]将辣椒种植在PP-MPs污染土壤中再添加玉米秸秆生物炭，发现辣椒植株总生物量较对照增加118.41%，果实生物量提高122.83%. 同时，检测发现辣椒根际M/NPs耐受细菌的相对丰度，以及马赛菌属（Massilia）、溶杆菌属（Lysobacter）和土生单胞菌属（Terrimonas）等有益菌大量增加，细菌氨基酸代谢和碳水化合物代谢相关基因表达也上调. 在M/NPs污染的土壤中施入生物炭后能较好地改善土壤理化性质以及微生物菌落结构，间接减轻M/NPs对植物生长产生的不良影响. 在M/NPs污染的土壤中，加入生物炭可以减缓M/NPs污染引起的养分流失、土壤酶活降低及微生物群落结构改变等危害，使得土壤质量趋于良好，进而缓解M/NPs污染给植物带来的毒害[122].

      • 3.2.2.   利用纳米材料减轻M/NPs对植物的毒害

    • 纳米物质（NMs）如纳米氧化铁、纳米锌、纳米零价铁等，具有体积小及优异的生物活性，可作为养分载体或调节剂参与细胞代谢过程，提高植物对各种环境胁迫的抗逆性和减轻氧化损伤[123]，是一种良好的植物生长调节物质. Zhou等[124]在PS-MPs污染的土壤中分别添加纳米零价铁（nZVI）、羧甲基纤维素改性nZVI（C-nZVI）和硫化ZVI（S-nZVI）等纳米材料后种植黑麦草. 结果表明，加入C-nZVI和S-nZVI后促进了叶绿素a和叶绿素b的合成，从而提高了黑麦草生物量的积累；Liu等[125]在M/NPs污染土壤中施用纳米铁（nano-Fe3O4）后种植黑麦草，结果发现，nano-Fe3O4的施用使土壤有机质含量提高了25.81%，还增加了土壤中抵御环境胁迫的拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）等微生物类群. 此外，黑麦草叶片细菌多样性和丰度也有所提高，叶绿素和类胡萝卜素含量分别提高20%和15%，黑麦草生物量增加42%. 以上研究表明，纳米物质在缓解M/NPs对植物产生的不良影响中有一定应用潜力.

      以上方法中，一些措施能减少土壤中M/NPs的含量，而另一些措施则能增加土壤营养元素含量，促进植物体对营养的吸收，增强植物的抗逆性并调节其对环境的适应能力，从而缓解M/NPs对植物生长产生的抑制作用[126].

    4.   结论与展望（Conclusion and prospects）

    • 塑料的大量使用及其废弃物的处理不当，导致土壤中的M/NPs丰度不断增加，不可避免地对植物产生了多种毒害，极大地危害了农作物产品的产量和品质. M/NPs通过吸附作用聚集在植物种子表面以及根系表面，对种子萌发和根系生长产生干扰，同时与叶绿素合成有关的蛋白酶活性受到抑制，使得光合色素含量降低，并且导致植物产生氧化胁迫等一系列不良反应，从而直接威胁植物的生长. M/NPs也可以通过改变土壤理化性质、影响微生物群落结构组成、吸附重金属及有机污染物等，间接抑制植物生长. 尽管目前已有一些关于微/纳米塑料对植物产生直接和间接危害的报道，但仍有许多机理还不明确，未来需要进一步深入探究.

      土壤M/NPs的生物修复、添加土壤改良剂等措施可以在一定程度上缓解M/NPs对植物产生的毒害效应. 然而与日俱增的土壤M/NPs给植物产品的生产带来了巨大挑战. 目前防治M/NPs对植物毒害效应的措施研究极为有限，要想有效解决土壤M/NPs对作物产生的影响，仍有很多问题亟待解决：

      （1）首先是控制M/NPs的污染源. 推广可降解或可重复使用的包装材料，可以减少塑料垃圾的产生. 值得注意的是，一些研究发现可降解塑料PBAT也会对大豆、玉米和小白菜等植物的生长产生危害，分别导致其根系生物量、叶绿素含量等降低，因此在使用过程中应谨慎评估其对农业生态系统的长期影响；建立有效的垃圾分类和回收系统，确保塑料废弃物的回收，减少其进入环境和农田土壤的机会；加强农田管理措施，采取必要的措施，如严控含有M/NPs肥料或农药的使用，加强对地膜的回收和利用效率等，减少M/NPs在农田中的留存.

      （2）继续深入研究M/NPs对不同植物及其产品的影响. 不同植物对M/NPs污染响应的敏感性有较大差异，未来应更加关注粮食作物、经济作物、饲料及绿肥作物、药用作物等不同植物对M/NPs的响应. 目前，M/NPs对植物毒害效应的研究主要集中于种子萌发和植株生物量方面，而对植物品质变化的研究相对有限，今后应当加强M/NPs对植物可食用部分安全性和品质的影响研究.

      （3）探究蚯蚓等有益动物在大田中缓解土壤M/NPs对植物产生毒害效应的作用机理. 已有研究表明，蚯蚓的存在减轻了M/NPs对植物生长发育产生的不利影响，但大部分研究是在实验室环境下进行，不能全面反映种植土壤环境的复杂性，且机理尚不明确. 因此未来应加强田间试验研究，以更好地了解蚯蚓活动在缓解土壤M/NPs污染中的作用机理，为减轻M/NPs对农作物的危害研究提供理论参考.

      （4）充实土壤M/NPs生物降解的生物资源. 目前，已发现一些微生物和动物能够分解M/NPs，但部分能降解塑料的动物如黄粉虫、大麦虫等会危害植物的生长而难以运用于实际环境中. 因此在未来的研究中，应加大筛选更多陆地环境中降M/NPs且对植物友好的土壤动物. 此外，微生物作为土壤生态系统的重要成员，已被发现能够加速塑料降解，因此应当加强M/NPs降解微生物、菌群组合及相关酶的研究，着力攻克将其运用于自然环境中的瓶颈. 生防及促生微生物菌剂在农业生产中推广应用的经验，可助力塑料降解微生物资源早日应用于土壤M/NPs污染的治理.

      （5）一些研究证明较小的NPs可以被植物吸收，并随着蒸腾作用积累于植物的不同器官中，这也表明一些能够吸收M/NPs，且不进入食物链的观赏性花卉、林木等植物可能在减少土壤M/NPs污染中具有一定潜力. 随着人们对M/NPs危害认识的不断提高，以及未来对M/NPs研究的不断努力，相信M/NPs污染有望得到缓解.

    参考文献 (126)

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