Element cycling with micro(nano)plastics
Plastics in the environment can alter a wide range of biogeochemical cycles
Xinghui Xia
Key Laboratory of Water and Sediment Sciences of Ministry of Education, State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing, China.
海洋、陆地生态系统、淡水和大气中的塑料污染无处不在。然而，对污染环境的塑料与地球元素（碳、氮、磷、硫）生物地球化学循环之间相互作用的了解才刚刚开始。微塑料（小于 5 毫米的塑料颗粒）和纳米塑料（小于 1 微米）尤其普遍。它们源于微小塑料微珠的泄漏以及环境中各种塑料物品的风化和碎裂。由于微（纳米）塑料可以改变土壤和沉积物的结构和物理化学性质，因此它们会影响元素循环和温室气体的产生。此外，微生物可以代谢这些塑料以及从塑料中浸出的溶解有机物，这可以直接或间接地影响关键的生物地球化学循环。塑料圈——在塑料碎片上定居的微生物群落——可能在元素循环中发挥特别重要的作用。
微（纳米）塑料主要由碳组成，但也含有其他元素，例如聚酰胺中的氮、聚氯乙烯中的氯和生物质基塑料中的氧。进入自然环境后，它们会在不同的区域内积聚，尤其是在土壤和沉积物中，这些积聚会影响有机碳的储存。塑料碳，特别是可生物降解塑料，可被微生物在不同环境区域内代谢。这些微生物过程还会产生和释放代谢物和有机碎片。因此，这些过程会改变微生物群落的丰度、结构、功能和生化活动。反过来，通过改变微环境的碳供应，微生物可以影响生物地球化学碳循环。
微（纳米）塑料影响生物地球化学碳循环的途径很复杂。例如，塑料可以通过尚不清楚的机制改变浮游植物的叶绿素含量。这种变化可能会干扰光合作用，而光合作用可以固定大气中溶解的二氧化碳(CO2)。微（纳米）塑料还可以改变环境成分的物理化学性质，例如土壤颗粒聚集体的组成和土壤的容重。聚集体的变化会改变土壤中的孔隙空间，从而影响养分、气体和水的移动，以及微生物群落的活动。这反过来又会影响矿物质与有机碳的结合，这一过程又会影响碳在土壤中的保留程度或被生物消耗并以 CO2形式释放到大气中的程度，从而间接影响土壤碳循环。最近发现的塑料-岩石复合体是由塑料碎片不可逆地粘附在母岩上形成的，这为微（纳米）塑料融入地质循环提供了进一步的证据。
微（纳米）塑料影响元素生物地球化学循环
微（纳米）塑料污染存在于海洋、陆地生态系统、淡水和大气中。微（纳米）塑料、塑料衍生的溶解有机物 (DOM) 和塑料圈可以通过直接和间接途径影响元素（例如碳、氮、磷、硫）的生物地球化学循环和温室气体通量。确定这些过程的影响和程度需要进一步观察和分析。
在风化过程中，环境中的塑料会不断释放溶解的有机物。这些有机物由掺杂了其他成分的复杂碳氢化合物混合物组成，包括制造过程中产生的各种添加剂和残留化学品，以及单体、低聚物和聚合物降解产物。保守估计，海洋表面微层中多达 10% 的溶解有机碳可能来自漂浮的塑料碎片。每年有多达23,600 公吨的溶解有机碳从塑料中渗入海洋。这些碳以及溶解有机物中的低分子量和不稳定的脂肪族成分可以比天然溶解有机物更有效地促进微生物生长。此外，微（纳米）塑料可以通过调节生物和非生物途径间接改变土壤和水生系统中天然溶解有机物的浓度和化学组成。此外，微（纳米）塑料可以在土壤和水生系统中产生独特的颗粒有机物。细胞外聚合物、天然溶解有机物和其他有机大分子可以被吸附到微（纳米）塑料表面形成所谓的生态冠。由塑料本身、塑料球和生态冠组成的复杂微（纳米）塑料异质团聚体构成颗粒有机物。这可能使微（纳米）塑料对碳的储存和质量（不稳定与顽固）产生更大的影响，从而影响微生物群落和碳循环。例如，在海洋中，塑料球估计约占开放表层水域总微生物生物量的 0.01% 到 0.2%。这可能会影响有机碳的输送，特别是深海的垂直输送，并形成一个复杂的塑料球-水界面，涉及微生物群落代谢和碳循环。
富碳微（纳米）塑料和塑料衍生的溶解有机物也会影响氮转化微生物群落（在氨氧化、硝化和反硝化中起作用的微生物群落）。这可能会影响水、沉积物和土壤中微生物驱动的氮循环。塑料衍生的碳对反硝化的影响是可以预料的，因为碳提供了电子供体，将硝酸盐还原为亚硝酸盐。微（纳米）塑料对土壤结构和土壤团聚体的改变可影响氮循环，这是由于持水能力、通气条件和相关微生物群落活性的变化。塑料的类型、大小和浓度也可能是控制微生物中氮转化过程速率的重要因素。可生物降解微（纳米）塑料的影响通常与传统的化石基微（纳米）塑料不同。这可能是因为不同塑料聚合物的碳利用效率和微生物群落的定殖特征不同。由于可生物降解的微（纳米）塑料理论上能够快速分解成二氧化碳和水，因此它们对氮循环的长期影响尚不确定。值得注意的是，微（纳米）塑料异质聚集体是氮转化的潜在重要热点。这类似于水生环境中的悬浮沉积物，有利于耦合硝化-反硝化，这一过程由好氧-缺氧界面的形成和有机碳底物的存在促进。
微（纳米）塑料可降解产生温室气体，并直接或间接改变微生物在环境中产生温室气体所利用的碳底物。例如，稳定同位素标记证实可生物降解的微（纳米）塑料可被微生物快速矿化产生二氧化碳。聚丁二酸丁二醇酯塑料在土壤中仅经过425天的培养，矿化率就达到59±4%至65±1%，而传统塑料的降解速度极慢，估计半衰期为几十年到几百年。此外，一些研究表明，由于碳底物增加，尤其是溶解有机碳，以及微生物群落和土壤性质的变化，含有微（纳米）塑料的土壤中总体二氧化碳排放量有所增加。
甲烷排放也受到污泥、土壤和沉积物中微（纳米）塑料的浓度和聚合物类型的影响。尽管如此，其影响程度和潜在机制仍不确定。微（纳米）塑料还可能改变水、土壤和沉积物中一氧化二氮 (N2O)的生成和消耗，这取决于存在的氮转化微生物的类型、氮循环过程和碳氮耦合循环。这些影响因塑料类型和尺寸而异，从而改变N2O的生成速率和微生物途径，包括硝化、硝化反硝化和异养反硝化。此外，塑料圈调节营养循环，从而调节温室气体生成的潜力，这一影响值得进一步研究。
微（纳米）塑料对其他元素循环（磷、硫）的影响才刚刚开始被研究。例如，微塑料可以动态改变淡水中总磷和可溶性活性磷的含量，这可能是由塑料圈中不同生物膜发展阶段微生物介导的有机磷和无机磷之间的转化引起的。同样，微（纳米）塑料可能会影响土壤磷循环。例如，在含有可生物降解的聚乳酸微塑料的沿海沉积物中，硫酸盐还原增加。这可能是由于塑料圈中富集的脱硫弧菌降解塑料并为还原反应提供电子给体。然而，人们对微（纳米）塑料如何影响磷和硫循环的细节了解甚少。
更为深远的是，微（纳米）塑料可能会影响生态系统的功能。实验室中出现了越来越多的证据。例如，微（纳米）塑料对植物和藻类等初级生物质生产者的复杂影响可能会导致营养循环（尤其是氮和磷）以及生态系统总体上产生新生物质的速率发生改变。由于微塑料造成的外部物理损伤，淡水底栖无脊椎动物的生物扰动活动减少，这已证明会显著抑制沉积物-水界面的无机氮通量、有机物矿化和二氧化碳排放。
微（纳米）塑料循环包括塑料运输模式及其在区域和全球范围内影响不同地球系统隔间的生物地球化学过程（见图）。这些过程涉及微（纳米）塑料本身、塑料衍生的溶解有机物、塑料圈介导的生物和非生物过程以及其他不太明确的途径。挑战在于量化并充分了解微（纳米）塑料的出现、流动和转化如何长期改变元素库（尤其是碳）及其在地球系统不同隔间的通量。塑料碳对环境的影响可能会通过改变生物可利用的碳成分来改变储存有机碳的总体浓度和特性。识别和量化微（纳米）塑料至关重要——尤其是对于可生物降解的塑料和轮胎磨损颗粒，以及环境隔间中塑料衍生的溶解有机物——将这些信息整合到全球生物地球化学循环模型中也同样重要。纳米塑料（特别是<100纳米的塑料）对碳和其他元素生物地球化学循环的影响研究不足。
采用分子生物学、质谱、稳定同位素标记和建模等先进技术将有助于确定在微（纳米）塑料的影响下不同环境区域内元素的命运和转化。短期实验室结果主导了对潜在影响的讨论，这些影响可能会通过长期受控的户外模拟和实地研究来改变。在较长的暴露期内进行实地试验（在多因素情景（自然风化过程、介质类型、化学污染物、人类活动、气候变化）下使用真实的微（纳米）塑料混合物）可以更好地评估微（纳米）塑料污染的实际影响。需要研究气温升高、热浪和湿度增加等气候驱动的影响对微（纳米）塑料命运的影响，以及它们对元素生物地球化学循环和气候对塑料污染的响应的影响。应更多地关注塑料圈-微生物界面、微（纳米）塑料累积的环境热点（污染严重的农业和工业土壤、垃圾填埋场、水生沉积物、深海）和生态脆弱地区。了解微（纳米）塑料在区域和全球范围内的详细后果将对政策制定和塑料污染管理问题产生重大影响。
