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抗生素因其能够治疗疾病，促进牲畜生长和水产养殖而得到普遍使用. 土霉素（OTC）是一种四环素类抗生素，具有广谱抗病原微生物作用，被广泛应用于畜禽养殖. 但生物体只能代谢掉少量的OTC，约75%的OTC被排放到水环境中，从而致使其在水环境中的积累并造成潜在危害[1 − 2]. 例如过量的抗生素残留会增加水系统和土壤中细菌的耐药性，导致抗生素耐药性基因的产生和传播[3]. 因此开发有效的抗生素去除技术具有重要意义.
常见的抗生素去除方法有吸附法[4 − 6]、膜处理法[7 − 8]和生物法[9 − 10]等. 高级氧化技术（AOPs）是通过活化过氧化氢（H2O2）、过硫酸盐（PS）等氧化剂产生活性物种去除难降解有机物的工艺，因其氧化能力强、操作简便而被认为是最有前途的废水净化技术之一. 与其他氧化剂相比，过硫酸盐具有更好的化学稳定性、更低的价格以及方便储存和运输等特点[11]. 通过活化PS产生硫酸根自由基（SO4·−）的高级氧化技术（SR-AOPs）被广泛应用于水中难降解有机化合物的去除[12 − 14]. 相较于活化H2O2产生的·OH，SO4·−是一种高活性物质，具有更高的氧化电位（2.6—3.1 V，·OH为1.9—2.7 V），更长的半衰期（30—40 μs，·OH为20 ns）和更宽的pH值范围（4—9），且对难降解污染物具有更高的去除效率[15 − 17].
PS可通过热量、超声波、紫外线和过渡金属等方式活化[17 − 19]. 其中金属基催化剂具有高活性、能耗小、成本低和易实际应用的优点[20 − 21]. 近年来，金属有机骨架（MOF）作为拥有框架结构和金属位点的金属和非金属结合的材料，在活化PS降解有机物的研究中得到越来越多的关注[22 − 24]，其中铁基MOF具有丰富的纳米孔，较大的比表面积，良好的热稳定性和化学稳定性，是一种环境友好型材料[25 − 26]. 在众多铁基MOF中，由对苯二甲酸和三价铁组成的八面体聚合物MIL-88B（Fe）是一种结构优良的铁基MOF材料，被认为是活化PS的潜在催化剂[27]. 由于MOF材料的水稳定性较差，常通过高温煅烧制备MOF衍生物. MOF衍生的多孔碳材料不仅能够保持原有的结构和形貌，而且继承了MOF前驱体的高比表面积和丰富的孔隙结构，还具备更高的活性和稳定性，扩大了适用范围[28]. 因此可通过碳化处理MOF前驱物提高其结构稳定性和催化性能.
该文以制备MOF前驱体的氯化铁和二氨基对苯二甲酸为原料，通过溶剂热和高温裂解制备了Fe/NC. 利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）、能量色散光谱（Energy dispersive Spectrometer，EDS）、N2吸附/解吸技术（Brunauer-Emmett-Teller，BET）、X射线衍射仪技术（X-ray diffraction，XRD）、拉曼光谱（Raman spectra）和X射线光电子能谱技术（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）对材料的结构和形貌进行表征. 探究了Fe/NC催化剂对PS活化降解OTC的性能. 采用单一变量法探究Fe/NC活化PS体系中催化剂投加量、溶液初始pH和PS浓度对OTC降解的影响. 对Fe/NC/PS体系进行淬灭反应实验，探究OTC降解过程中体系内主要存在的活性物质，进一步推测反应机理；通过无机阴离子和自然有机物对降解的影响及循环实验，探讨Fe/NC活化PS降解抗生素的适用性及稳定性，为Fe/NC在活化SR-AOPs体系降解抗生素领域应用提供科学依据.
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主要试剂：土霉素（OTC，C22H24O9N2，97%）、三氯化铁（FeCl3·6H2O，99%，分析纯）、二氨基对苯二甲酸（NH2-H2BDC，C8H7NO4，98%）、盐酸（HCl，分析纯）、氢氧化钠（NaOH，分析纯）、氯化钠（NaCl、分析纯）、无水碳酸钠（Na2CO3、分析纯）、L-组氨酸（L-His，C6H9N3O2，99%，分析纯）购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司. 过硫酸钠（PS，Na2S2O8，99%，分析纯）、叔丁醇（TBA，C4H10O，99%，分析纯）、对苯醌（p-BQ，C2H6O，99%）、磷酸二氢钾（NaH2PO4·2H2O，分析纯）、腐殖酸（HA，90%，分析纯）购于上海麦克林生化有限公司. N,N-二甲基甲酰胺（DMF，C3H7NO，分析纯）、无水乙醇（EtOH，CH3CH2OH，分析纯）购于天津市大茂化学试剂厂. 实验中所有溶液均使用去离子水配制.
主要仪器：KABML-602A型管式炉（天津玛福尔科技有限公司）、BY-400C型离心机（北京白洋医疗器械有限公司）、FD-1-50型烘箱（北京博医康实验仪器有限公司）、SHA-CA型恒温振荡箱（常州市伟嘉仪器制造有限公司）、YS0410型超声波清洗机（深圳云奕科技股份有限公司）、NB-1M型磁力搅拌器（苏州九联科技有限公司）、UV765型紫外-可见分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）、PHS-3C型pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司）、FA2104N型电子分析天平（上海菁华科技仪器有限公司）、JSM-6460LV型扫描电子显微镜（日本电子株式会社）、Thermo escalab 250Xi型X射线光电子能谱仪（美国热电）、BRUKER D8 ADVANCE型X射线粉末衍射仪（德国布鲁克）、Renishaw inVia型激光共聚焦拉曼光谱仪（英国雷尼绍）.
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称取1.6218 g（6 mmol）FeCl3·6H2O和1.0869 g（6 mmol）NH2-H2BDC分别溶解在30 mL DMF中，超声10 min后，转移至100 mL聚四氟乙烯反应釜中混合，磁力搅拌30 min后，将反应釜密封后置入预热到120 ℃的烘箱中溶剂热12 h. 待冷却至室温后取出反应釜内衬，将产物转移至离心管中，在11000 r·min−1下进行固液分离，用DMF和乙醇交替洗涤所得固体产物3—4次，随后放入鼓风干燥箱60 ℃下烘干12 h，研磨后可得MIL-88B-NH2. 将盛放MIL-88B-NH2粉末的石英舟置于管式炉中，在氮气氛围下，以2 ℃·min−1的速率分别升温至700、800、900 ℃，保持2 h，待降至室温后取出，用1 mol·L−1 HCl酸洗以去除不稳定物质，烘干后制得的材料分别记为Fe/NC-700、Fe/NC-800和Fe/NC-900.
样品的形貌特征通过SEM结合EDS在高分辨率微区观察；BET用于检测样品的比表面积、孔径和孔尺寸等信息；样品的结构特性和结晶情况由Cu Kα辐射的XRD分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息；通过拉曼光谱在652 nm的激发波长下探测样品的缺陷和石墨化结构；利用XPS对材料进行表面分析，使用X射线辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来，测量光电子的能量和数量，获得待测物组成，测定电子的结合能来鉴定分析样品表面的化学性质及组成.
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将一定量的催化剂和PS添加到含有30 mL 20 mg·L−1 OTC的50 mL锥形瓶中. 将锥形瓶用盖子密封，放于恒温震荡箱中，在（25±1）℃，180 r·min−1的转速下进行降解反应实验. 在固定的时间间隔取1 mL样品，经0.22 µm的膜过滤后置于预先加入1 mL乙醇的离心管中. 吸附实验与上述步骤基本相同，区别在于吸附实验中没有PS的投加步骤.
在影响因素实验中，采用单一变量法，探究催化剂投加量（0.1—0.5 g·L−1）、初始pH（2—10）和PS浓度（1—5 mmol·L−1）对抗生素降解效果的影响. 用一定量Na2CO3、KH2PO4、NaCl和HA分别溶于污染物溶液中模拟自然水体中的无机阴离子和有机物，并添加催化剂进行实验，以探究催化剂在水环境中的适应性和稳定性. 在循环试验中，催化剂重复使用若干次. 每次用去离子水清洗使用后的催化剂，并在80 ℃下干燥以进行后续循环实验. 反应前投加淬灭剂进行淬灭实验，EtOH可以掩蔽溶液中的·OH和SO4·−，TBA单独掩蔽·OH， p-BQ用于淬灭·O2−，L-His用于掩蔽1O2，通过掩蔽剂对抗生素去除效果的影响，推测降解机理和主要活性物质.
通过紫外分光光度计在356 nm波长处测定OTC的剩余浓度. 抗生素的降解效率计算方法如公式(1)：
式中，R为抗生素去除率，%；C0为抗生素初始浓度，mg·L−1；Ct为特定时刻抗生素剩余浓度，mg·L−1. 所有实验均重复3次，以提高精密度.
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图1为Fe/CN-900的形貌图和表面元素的面扫图像. 从图1（b）中可以看到，部分两头锥形中间八面棱柱形的多面体，为制备过程中产生的一些尺寸较大的MOF，其形貌与文献中所体现的一致[29]，表明该研究中MIL-88B-NH2的制备方法可行. 同时，在制备过程中添加的含氮有机配体，使MOF的结构孔隙率增大，有利于催化过程中PS与活性位点的接触. 在图1（a）中可以看到，Fe/NC-900呈不规则多孔形状，这是由于热解温度较高，MOF的结构遭到一定程度的破坏[30]. 材料表面元素面扫结果如图1（c）和表1所示，Fe/NC-900中各元素所占比例分别为56.89%（C）>17.45%（O）>14.65%（Fe）>11.01%（N），表明Fe/NC材料的成功制备. 表2中描述了Fe/NC在热解温度为700、800、900 ℃下产物的比表面积、孔体积和孔径尺寸. 可以看出催化剂的比表面积随温度升高而上升，Fe/NC-900的比表面积达到429.54 m2·g−1. 虽然Fe/NC-900的孔径尺寸（3.80 nm）小于Fe/NC-700的孔径尺寸（5.60 nm），但Fe/NC-900的孔体积最大（0.41 cm2·g−1）.
制备的MIL-88B-NH2碳化材料和原始NH2-MIL-88B（Fe）的XRD图谱如图2所示. MIL-88B-NH2的特征衍射峰出现在约9.2°（002），10.3°（101），13.1°（102），16.7°（103），18.5°（200），19.1°（201），20.7°（202），26.3°（204）、29.5°（302），这些峰都与根据结晶学信息文件（CIF）（剑桥结晶学数据中心（CCDOX）647646）建立的MIL-88B-NH2结构的模拟XRD图谱一致[31]. 表明成功合成了MIL-88B-NH2结构的纯产物. Fe/NC-700和Fe/NC-800的XRD图谱显示出相同的特征峰，这些峰的位置与Fe3O4的峰位数据相匹配（JCPDS No. 75–1372）[32]，说明碳化后MIL-88B-NH2中的铁形成了氧化物. Fe/NC-900的XRD图谱未显示出明显的特征峰，这可能意味着Fe/NC-900中的Fe以高分散状态存在.
图3是MIL-88B-NH2在不同温度下碳化后的拉曼检测图谱，在1345 cm−1处观察到典型的D带与无序碳相关，代表材料中的缺陷碳，1585 cm−1处显示1个典型的G波段峰值属于sp2杂化石墨碳，这表明存在堆叠和有序的六方碳结构[33]. 经峰拟合后计算两峰面积之比可得ID/IG的值，此值越大代表材料的缺陷程度越大. 图3可以看出，催化剂的缺陷结构随温度的上升而增高，在900 ℃时为1.26.
XPS分析进一步探索了Fe/NC-900的元素组成和价态分布. 如图4（a）全谱所示，Fe/NC-900主要由Fe、C、N和O等元素组成，与扫描电镜EDS结果一致. 图4（b）中，C1s XPS光谱分为两种类型的峰，分别代表C—C键（284.4 eV）和C—O—C键（287.0 eV）. Fe/CN-900的高分辨率N1s XPS曲线出现400.7和399.0 eV的两种类型的峰，分别归属于吡咯氮和吡啶氮[34]，从峰面积可以看出，吡咯氮含量远大于吡啶氮含量. 在Fe2p图中，Fe/CN-900的Fe2p光谱主要反褶积为分离的2p3/2和2p1/2轨道峰. 在727.16 eV处的峰对应Fe（Ⅱ） Fe 2p1/2的卫星峰，710.3—711.8 eV处对应于Fe（III） Fe 2p3/2，说明前驱体中的Fe3+在制备及煅烧过程中部分转变为Fe2+[35].
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使用不同体系降解OTC的结果如图5所示. 在PS单独作用时只有19.55%的OTC被去除，表明在没有催化剂的情况下PS对OTC的降解能力有限. 当热解温度为700 ℃和800 ℃时，Fe/NC催化剂活化PS去除OTC的效果区别不大，分别为77.19%和79.18%. 当温度提升至900 ℃时，OTC的降解率继续提升到87.39%，说明Fe/NC可以作为PS活化剂有效降解抗生素. 同时，实验结果验证了表征分析结论，当热解温度提高后，Fe/NC-900具有更大的比表面积、孔体积以及较多的缺陷结构，更有利于对PS的活化.
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不同Fe/NC-900催化剂投加量对OTC去除的影响如图6（a）所示. 当Fe/NC-900的用量从0.1 g·L−1增加到0.2 g·L−1时，OTC的降解率从73.21%增加到82.91%. 这一结果表明，增加Fe/NC-900催化剂用量可以为PS活化提供更多的活性位点，从而显著提高OTC的去除效率[36]. 但当PS浓度一定时，催化剂活化PS产生的活性氧物质会达到饱和. 因此，随着OTC投加量从0.2 g·L−1增加到0.5 g·L−1，OTC的降解效果仅略有改善（小于6%）. 故而在后续反应中Fe/NC-900的用量皆采用0.2 g·L−1.
考察了PS浓度对Fe/NC-900活化PS降解OTC的影响，结果如图6（b）所示. 随着PS浓度从1 mmol·L−1增加到3 mmol·L−1，OTC的降解率从69.18%增加到89.18%. 这一结果可解释为较高的PS浓度有利于生成更多的活性氧物质并提高OTC的降解效率[37]. 然而，随着PS浓度从3 mmol·L−1进一步增加到5 mmol·L−1，OTC的降解率逐渐降低，这归因于过量的PS会消耗活性氧物种. 因此，Fe/NC-900/PS体系中PS的最佳浓度控制在3 mmol·L−1.
反应溶液的初始pH值是影响OTC降解的另一重要因素. 如图6（c）所示，在2.0到6.0的初始pH范围内，OTC的降解效率逐渐升高至89.18%. 这是因为在强酸性条件下，过量的H+会直接淬灭SO4·−以及其他自由基[38]. 随着初始pH值增加到10.0时，OTC的去除率降低到81.42%，这可能是由于碱性条件下自由基的消耗[39]. 总体来说，Fe/NC-900/PS体系在pH值为2—10的范围内，对OTC的去除率都在80%以上，并且波动范围较小，说明Fe/NC-900可作为较稳定的催化剂，对水环境的pH适应范围较广.
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本节进行了活性氧物质淬灭实验，以阐明自由基及非自由基在OTC降解中的作用，如图7（a）所示. 结果表明，4种淬灭剂均对OTC的降解有一定的抑制作用，分别使OTC的降解效率降低至53.79%（EtOH）、65.42%（TBA）、84.4%（p-BQ）和81.42%（L-His）. SO4·−被掩蔽后，OTC的去除率仅为53.79%，表明SO4·−在Fe/NC-900/PS体系中对OTC的降解起关键作用.
基于以上分析，提出了Fe/NC-900/PS体系中OTC可能的降解机制. SO4·−可由Fe3+和Fe2+生成，并提供电子以直接与S2O82−相互作用，SO4·−继续与水相互作用产生自由基·OH（公式2和3）. 同时，Fe2+也与溶液中的O2反应生成·O2−, 并进一步与·OH反应生成1O2（公式5和6）.
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使用含有不同阴离子和腐殖酸的水溶液模拟真实的水基质（图7b）. 从图7可以看出，Cl−和腐殖酸对OTC的去除效果几乎没有影响，说明腐殖酸与OTC之间不存在竞争反应. 在20 mmol·L−1 HCO3−和H2PO4−的存在下，OTC的去除率分别降至74.70%和78.43%，这可能由于这两种阴离子会与体系中产生的自由基反应. 结果表明，在真实的水基质中，材料的活化性能只受到轻微抑制.
图7（c）为Fe/NC-900重复使用5次后对OTC的降解效率图，从OTC的降解趋势可以看出，重复使用后催化剂的活性依然很强，第五次回用后降解率只下降了16.85%. 连续5次OTC的降解率分别为89.18%、86.88%、84.18%、79.29%和72.33%. 说明催化剂活性位点在反应中丧失较少，比较稳定.
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1）该文成功合成了由MIL-88B-NH2碳化后所得的新型铁基含氮碳材料，并将其用于活化PS降解OTC.
2）研究发现不同热解温度下所得的催化剂活化能力不同. 与Fe/CN-700和 Fe/CN-800相比，Fe/CN-900具有更大的比表面积和孔体积，缺陷结构更多，在活化PS降解OTC的反应体系中催化活性也更强.
3）OTC的降解率受催化剂投加量、PS浓度和初始pH值等因素的影响，Fe/NC-900/PS体系的最佳反应条件为在不调pH的情况下（pH=6），催化剂投加量0.2 g·L−1，PS浓度3 mmol·L−1，此时OTC的去除率达到89.18%.
4）OTC的降解机理为Fe/NC-900表面的Fe与PS反应生成多种自由基（SO4·−、·OH和·O2−）攻击污染物，其中SO4·−对OTC的降解起关键作用.
5）在含有无机阴离子和有机物的水体中Fe/NC-900表现较为稳定，在5次回用后依然保持较高的催化活性. 总而言之，Fe/NC-900是一种PS高效活化剂，为抗生素的去除提供了新的选择.
MOF衍生物（Fe/NC）活化过硫酸盐对土霉素的高效降解
Efficient degradation of oxytetracycline by persulfate activated by MOF derivative (Fe/NC)
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摘要: 近年来，以有机金属骨架（MOF）为前驱体制备的MOF衍生物得到越来越多的关注. 与MOF相比，热解制得的MOF衍生物具有多变的结构、更高的比表面积和更好的稳定性. 本研究采用高温碳化MOF成功制备了Fe/NC材料，研究了不同因素对Fe/NC活化PS降解土霉素（OTC）的影响. 在OTC初始浓度为20 mg·L−1、PS浓度为3 mmol·L−1、Fe/NC-900投加量为0.2 g·L−1、初始 pH 值为6.0的条件下，反应20 min后，OTC去除率最高达到89.18%. 活性氧物质淬灭实验证实反应体系中存在硫酸根自由基（SO4·−）、羟基自由基（·OH）等多种活性氧物质，其中SO4·−在OTC的降解中起主要作用. 在最优催化工艺参数下探究不同水基质对OTC去除的影响. 其中Cl−和腐殖酸对OTC的降解几乎没有影响，HCO3−和H2PO4−则表现出轻微的抑制作用，说明Fe/NC的适用范围广. 经过五次循环回用后对OTC的降解率仅下降16.85%，表明材料具有较好的重复利用性. 本研究为MOF材料在水污染控制领域中的应用提供了新的理论研究，并为四环素类抗生素的降解提供了新思路.Abstract: In recent years, organometallic skeleton (MOF) derivatives prepared using MOF as precursors have received increasing attention. Compared with MOF, the MOF derivatives produced by pyrolysis have variable structure, higher specific surface area and better stability. In this research, Fe/NC materials were successfully prepared by high temperature carbonization of MOF. The removal efficiency of OTC could reach 89.18% with 20 mg·L−1 initial concentration of OTC, 3 mmol·L−1 PS and 0.2 g·L−1 Fe/NC-900 at 6.0 pH in 20 min. The results of reactive oxygen species quenching experiments confirmed the presence of various reactive oxygen species, among which SO4·− played a primary role in the degradation of OTC. The effects of different water matrix showed that Cl− and humic acid had almost no effect on OTC degradation, while HCO3− and H2PO4− expressed a slight inhibition. After five cycles of recycling, the degradation rate of OTC only declined by 16.85%. This research suggests a new theoretical basis for the application of MOF materials in the field of water contamination control and provides a novel concept for the degradation of tetracycline antibiotics.
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Key words:
- persulfate /
- MOF derivative /
- oxytetracycline /
- advanced oxidation /
- heterogeneous catalyst
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塑料的商业生产始于20世纪50年代[1]，现广泛应用于包装、医疗、农业等行业，仅2019年全球塑料产量就高达3.68亿吨[2]。塑料在光照辐射、机械磨损、风化侵蚀、动物和微生物的作用下，可逐渐分解成粒径更小的塑料颗粒[3]。微塑料(microplastics, MPs)的概念最早出现在2004年Science发表的一篇文章[4]，定义为粒径小于5 mm的塑料颗粒[5]，粒径小于100 nm的被称为“纳米塑料”(nanoplastics, NPs)[6]。MPs通过大气、洋流等作用在全球范围内长距离运输[7]，并在环境中持续存在和积累。水体[8]、沉积物[9]、土壤[10]、大气[11]甚至深海和极地都能检测到MPs[7]。尽管多项研究回顾了MPs在水环境中的发生、分布、生态风险及水体MPs与其他污染物的环境地球化学行为[8, 12-13]，但关于陆地MPs的综述论文却很少[14-15]。陆地MPs是海洋MPs的主要来源，其MPs污染程度可能是海洋的4—23倍[16]。土壤作为陆地系统中MPs的汇[17]，对MPs的储存和转移起着至关重要的作用[18]。因此，充分认识MPs在土壤环境中的丰度、来源、迁移和生态毒性对于科学评估和源头控制土壤MPs污染十分关键。
在Web of Science核心数据库中以“microplastics”和“soil”为关键词进行了搜索(截至2021年8月21日)，产生了608篇文献。通过共现网络分析(图1)，发现土壤环境MPs的研究始于2016年，相关研究主要包括：1)土壤类型，全球学者普遍注重农田土壤MPs的研究；2)MPs的来源，包括未合理处置的塑料垃圾、污泥堆肥、有机肥料的施用、污水灌溉和地膜覆盖等；3)MPs的分析方法，包括采样、分离(筛分、密度分离、消解等)、鉴定(目检法、光谱法、热解质谱分析法等)；4)土壤MPs的丰度、类型(如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS))、形状(如纤维、薄膜、碎片、颗粒等)；5)MPs的生物效应，包括对植物、动物和微生物的影响。由此可见，MPs的来源、种类、分布、检测方法及生态健康风险是当前土壤MPs污染研究的热点方向。已发表的文献中，Praveena等[19]、陈雅兰等[20]较为全面的综述了土壤中MPs的提取与鉴定方法，郝爱红等[14]、Zhao等[15]从土壤中MPs的来源、迁移、分析方法、污染特征和生态风险等方面入手，揭示了土壤MPs的归宿和生态风险，但有关土壤MPs与多种有害污染物共同暴露的生物毒性、土壤中老化或降解MPs的生态风险鲜有报道。有学者对全球土壤MPs污染做了简单的总结[17, 21]，但所收集的数据不够全面。因此，本文在总结最新国内外研究进展的基础上，从土壤环境中MPs的来源、丰度、迁移及其生态健康风险方面进行了综述，并提出了相关领域未来的研究重点。相比先前的研究，本文更加全面的总结了土壤中MPs的丰度，通过绘制分布图以更加直观的形式展现了全球土壤MPs污染，并将土壤老化/降解MPs的生态风险以及MPs的复合污染毒性和潜在生态风险展开了系统地回顾和展望，填补该领域综述论文的空白。本文将为评估土壤MPs潜在的生态健康风险提供有价值的参考。
图 1 已发表论文中以“微塑料”、“土壤”为关键词的共现网络分析图[22]。Figure 1. Co-occurrence network analysis of published research papers with “microplastics” and “soil” as keywords每个节点(关键词)大小与其出现频次成正比，连线颜色表示论文发表年份，数据截至2021年8月21日1. 土壤MPs的来源、丰度和迁移 (Source, abundance and migration of soil MPs)
1.1 土壤MPs的来源
土壤中MPs的来源十分广泛(图2)，人们日常生活(如未合理处置的塑料垃圾)和农业活动(如污泥堆肥、有机肥施用、地膜覆盖及农田灌溉等)产生的MPs会直接进入土壤[23-26]，或通过地表径流[27]和大气沉降[28]间接输送到土壤环境。
图 2 土壤中MPs的来源与迁移Figure 2. Origin and migration of MPs in soil(红色和黑色箭头/文字分别表示MPs的来源和迁移路径)1.1.1 未合理处置的塑料垃圾
土壤中存在着与水环境类似、种类繁多的MPs碎片[29]，它们与塑料污染密不可分。根据目前的塑料废弃物管理趋势预测，2050年全球产生的塑料垃圾中将有120万吨进入垃圾填埋场或自然环境[30]，必然会对生态环境造成影响。日常生活使用的一次性塑料袋/瓶、口罩/手套、衣服等均含有塑料，如使用后被随意丢弃在路边或非法倾倒地点[31]，会造成附近土壤塑料污染。作为塑料垃圾的重要组成部分，塑料袋全球每年的消费量约为5000—10000亿个，其中900多亿个塑料袋不可回收[32]，可在环境中老化降解生成MPs。自2020年新冠疫情爆发以来，大量一次性口罩排放到环境中。据估计，2020年全球生产的一次性口罩约520亿个[33]。每片新口罩中可释放（183.0±78.4）个MPs，而使用过的口罩因附着了空气中的MPs会释放更多的MPs(每片（1246.6±403.5) 个) [34]。由此，未合理处置的一次性口罩引起的土壤塑料和MPs污染不容忽视。
1.1.2 污泥堆肥的长期积累
污泥堆肥可能导致土壤MPs的增加[24]。生活废水经污水处理厂，可大大减少MPs(去除率约99%)向水环境直接排放[24]，但未被处理的MPs通常积聚在污泥中[35]，由于污泥含有丰富的N、P、K等营养元素[36]，许多地区将污泥用作农田肥料[24]，MPs便由此进入土壤。不同国家污泥中MPs的含量与经济发展水平、人口密度和废物处置等因素有关[37]。对于经济发达、人口密度高的国家，因使用药品、个人护理品(PPCPs)及洗衣产生的污水量大[38]，污泥中MPs的含量相应较高。在欧洲和北美地区，每年通过污泥堆肥进入农田的MPs分别有约6.3×104—4.3×105和4.4×104—3.0×105吨[39]。土壤MPs的丰度随污泥施用量的增加而增加[24]。研究发现，在农田中仅施用一次污泥，15年后该区域土壤中仍可检测出塑料纤维[40]，表明MPs在土壤中难以降解，会产生持久性污染。
1.1.3 有机肥料的施用
有机肥料的重复施用除了会引起重金属和抗生素等污染残留[41]，还会导致土壤MPs污染，而后者常常被人们忽视[42]。研究发现，有机肥中普遍含有的MPs可能来自运输饲料的塑料管道、储存消毒剂或抗生素的塑料瓶[43]。江西鹰潭，猪粪中MPs的平均年丰度约为（1250±640）个·kg−1(干重)，施用了猪粪的农田中MPs的年均累积量约为（1.25±0.61）个·kg−1[42]；施用猪粪22年后的农田中MPs丰度（(43.8±16.2)个·kg−1)明显高于未施用猪粪的农田（(16.4±2.7)个·kg−1)[42]。德国是全球对肥料质量要求最严格的国家之一，但每年通过施用有机肥进入农田的MPs高达3.5×1010—2.2×1012个[26]。我国作为有机肥生产和使用大国，据估计，我国每年通过有机肥进入农田土壤中的MPs可达52.4—26400吨[3]。但该数据仅仅基于德国波恩、斯洛文尼亚等地区关于有机肥中塑料污染的报道[23, 26, 44]，并结合我国有机肥每年实际施用量(2200万吨左右)来进行估算的，该估算忽略了粒径小于0.5 mm的MPs，且缺乏我国有机肥中关于MPs丰度的报道，因此，未来的研究中还应多关注我国有机肥中MPs的污染情况，以便全面评估我国通过有机肥进入土壤的MPs量。
1.1.4 农业灌溉和地表径流
农业灌溉是MPs进入土壤的又一重要途径。据统计，全球每年生活污水产生量超过356 km3，处理后的出水中有23.8 km3主要用于农业灌溉[45]。生活污水中含有大量源于PPCPs和衣物的MPs。虽然常规的处理工艺可有效去除污水中绝大部分MPs，但出水中仍有残留的MPs通过农业灌溉进入土壤环境[15]。在部分水资源匮乏的国家，未经处理的污水也会被用于灌溉农田[23]。据报道，全球约有3.6×105 km2的农田是使用未处理或者部分处理的生活污水进行灌溉的[46]，必然会向土壤中输入更多的MPs。此外，天然水体中也存在MPs，例如：我国长江水中MPs高达6.6×103个·m−3[47]，珠江水中MPs的丰度介于397—7924个·m−3之间[48]，即使在偏远的内陆湖泊沿岸也有大量MPs存在，如青藏高原湖泊中MPs丰度可达（625±411）个·m−3[49]。这些水环境中的MPs也可通过灌溉或随地表径流进入土壤环境中。随着研究的深入，人们开始对生态环境敏感区(如青藏高原[49]、沙漠[50]、黄土高原[51])MPs污染进行研究，作为东南亚多条河流重要发源地的青藏高原，无处不在的MPs可能使其污染范围不断扩大到其他水系，或通过地表径流进入土壤环境，而该地区生态环境脆弱，存在调查难度大、恢复年限长等问题，未来的研究应该更加注重生态环境敏感区MPs污染及其健康风险评价。
1.1.5 地膜的广泛应用
地膜是农田土壤MPs污染的重要来源[23, 25]。2016年全球农用塑料薄膜市场交易量为400万吨，预计到2030年将以每年5.6%的速度增长[25]。全球约有1.29×105 km2的农田覆盖有地膜[52]，我国地膜使用量最大，占全世界地膜覆盖面积的90%[17]。从田地中去除地膜费时费力，大量被残留的地膜在阳光辐射等作用下逐步破碎裂解，形成MPs[29]。农田土壤中MPs的含量随覆盖时间的延长逐渐增加[17]。在我国石河子市，随着地膜连续覆盖时间从5年增加至30年，MPs丰度从10.10 mg·kg−1增加到了61.05 mg·kg−1[53]。目前，大力研制与推广的环保型可降解地膜是解决塑料污染最有效的途径，但研究表明，MPs对污染物(如抗生素、农药等)的吸附能力大小排序为：老化可降解MPs>可降解MPs>非可降解MPs，且老化程度越高对污染物的吸附量越大[54-55]，在这种情况下可降解地膜的使用，特别是地膜在环境中不可避免的老化行为，可能会给环境带来更大的生态危害，在未来的农业发展中应该重视这一问题。
1.1.6 大气沉降输入
土壤MPs也有部分来自大气中悬浮的塑料颗粒。多项研究表明，大气中存在MPs，如南海西北部大气中MPs的丰度为（0.035±0.015）n·m−3[56]。大气中的MPs主要来源于建筑材料、纺织品磨损、灰尘、道路油漆、轮胎和制动器磨损[57]。轮胎磨损产生的MPs主要来自各种车辆，全球车辆轮胎磨损的MPs排放量为人均0.81 kg·a−1[58]，飞机轮胎磨损释放的MPs相对较少，约占荷兰轮胎磨损MPs排放总量的2%[58]。空气中密度小的大塑料颗粒和MPs可通过大气沉降和风力传输沉积在城市或乡村陆地表面[59]，还可传输到偏远、人烟稀少的地区[28]。据报道，我国烟台市大气MPs沉降通量达1.5×105个·(m2 a)−1[60]；法国巴黎大气MPs沉降通量达2—355个·(m2 d)−1，且该地区每年有3—10吨的纤维被大气沉降物沉积[59]。由此可见，大气沉降是MPs沉积到陆地的重要途径。值得思考的是，粒径小于50 μm的MPs可以重新悬浮到大气中[61]，增加人体吸入MPs的风险，而多数国家并没有将大气中的MPs作为空气污染的一部分进行监测，为了明晰MPs对人类健康构成的潜在风险，将MPs纳入空气污染的监测范围迫在眉睫，尤其是在MPs污染严重的大城市。
总体来看，国内外大量关于土壤中MPs的来源研究仅停留在对来源的简单陈述，只有少部分做了MPs的溯源追踪方法。目前，环境中MPs的溯源方法主要集中于水体和沉积物，通过非仪器分析法(目视分析法、密度分析法、灼烧分析法等)从MPs的颜色、形状、密度等特性初步判识MPs的外观及用途[62]，或通过仪器检测(光谱分析法、显微分析法、色谱质谱分析法等)判识MPs的化学成分及结构[63]，两者相结合可追溯环境中MPs的来源。从已有研究成果来看，土壤MPs的溯源依旧没有可靠且简单易行的检测方法。值得注意的是，进入到环境的塑料碎片和MPs，由于各种物理化学作用，最终会破碎形成NPs，更小的粒径以及颜色、形状等特性不够显著增加了对MPs来源追溯的难度，因此亟需建立适合更小粒径的NPs的检测方法和理化指标。
1.2 土壤MPs的迁移行为
MPs在土壤中可发生水平和垂直迁移[64]，其迁移行为受土壤和MPs理化性质的影响[21, 65]。土壤的理化性质(包括孔隙度、土壤质地、矿物和腐殖质含量等)对MPs的迁移有重要影响。土壤的孔隙大小由其质地决定，可直接影响MPs的迁移[30]，砂土表面的MPs在渗透作用下可垂直迁移至距地表1.5—7.5 cm的土壤中[66]。由于土壤裂缝，干燥气候可能会加速MPs向下移动[66]。土壤矿物和腐殖酸共存时会增加MPs的垂直传输距离(9—10 cm)[67]。Wu等[68]发现, PS微球的迁移能力随土壤矿物(Fe/Al氧化物)含量的增高而降低，这是由于带负电的MPs与带正电的Fe/Al氧化物发生静电吸引所致。此外，MPs的特性(包括粒径、形状、电荷和表面化学等)也会影响其在土壤中的迁移。当MPs的粒径小于土壤孔隙尺寸时，MPs能通过土壤孔隙和裂缝向下移动，粒径小的MPs也容易被土壤动物摄食而转移到更深层的土壤中[69-70]。由于MPs与土壤团聚体的相互作用不同，不同形状的MPs可能对土壤中MPs的迁移产生阻塞作用影响其迁移行为[65]。如：塑料微球和微粒比微纤维更易下移到土壤深层，因为微纤维与土壤颗粒缠结形成土块后无法迁移[71]。高密度的MPs(如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯))可能会因重力作用而促进其在土壤中的迁移[72]。表面含有羧基、磺酸基、低密度氨基官能团的PS微球，比含有高密度氨基官能团的PS微球更易在海沙中迁移，这是由于带正电的高密度氨基MPs与带负电的沙粒之间存在静电吸引，从而阻碍MPs的迁移行为[73]。
除了在土壤内部迁移外，土壤中的MPs也会在风力、气流、地表径流等作用下迁移到空气和水等环境介质中[64, 66]。土壤表面的MPs尤其是微纤维等轻质塑料颗粒，可以被风和气流抬升到空气中，最终长距离传播到其他陆地或地表水中[59]。此外，地表径流可促使MPs进入深层土壤甚至含水层。据报道，澳大利亚维多利亚州地下水中MPs的平均丰度为38个·L−1[74]，向地下水迁移的MPs可能带来新的环境问题，但目前仍缺乏对地下水MPs污染的环境风险预测、评估和防控研究。
1.3 全球土壤环境中MPs的丰度
我们收集了全球不同地区土壤环境中检出的MPs的理化性质和丰度，绘制了图3。目前，虽然只有少量研究报道了土壤环境中MPs的丰度情况，但可看出MPs广泛存在于多种土壤中(如农业土壤、公园土壤、湿地土壤、沙漠土壤等)，其丰度从几个·kg−1到数万个·kg−1不等，多数地区土壤MPs丰度在0—5×103个·kg−1之间，粒径大多小于1 mm[75-77]；MPs形状有纤维、薄膜、碎片、颗粒等，PP、PE、PS是土壤中最主要的聚合物类型。土壤环境中MPs的丰度普遍高于水和沉积物中的[8]，说明土壤环境是MPs重要的汇。在全球范围内，亚洲、欧洲、北美、大洋洲的土壤环境中都发现了MPs，且不同地区丰度差异较大。从图3中可看出，智利梅利皮利亚县田地因长期施用污泥导致土壤MPs丰度高达18000—41000个·kg−1，明显高于其他地区[24]；西班牙东南部穆尔西亚蔬菜农田土壤和墨西哥坎佩切家庭花园土壤中也检测到了数量较高的MPs，丰度分别为（2116±1024）个·kg−1和（870±1900）个·kg−1[78-79]；但德国石勒苏益格-荷尔斯泰因州农田表层土壤中MPs仅有（5.8±8）个·kg−1[80]，且该国弗兰科尼亚中部农田中MPs的丰度最低，仅为（0.34±0.36）个·kg−1[81]。
图 3 文献报道的全球部分地区土壤环境MPs污染情况Figure 3. MPs pollution of soil environment in some regions of the world reported in the literatures(数据更新于2021年10月，没有标记的区域不代表没有MPs污染)(Updated in October 2021, unmarked areas do not represent no MPs contamination)作为最大的塑料生产国和消费国[82]，我国土壤MPs污染引起了越来越多的关注。在我国大多数受人为活动影响较少的土壤中MPs含量较低，如山东东营黄河三角洲湿地无植物覆盖的土壤和长江沿岸休耕的土壤中MPs丰度仅为60个·kg−1[83]和（28.4±22.0）个·kg−1[84]；但农业土壤中MPs的含量通常较高，如:云南滇池柴河流域土壤MPs丰度为7100—42960个·kg−1[85]；湖北武汉、山东寿光的农田土壤中也含有较高丰度的MPs(4.3×104—6.2×105、275—4165个·kg−1)[76-77]，这可能是塑料地膜老化降解、污泥施用和污水灌溉所致。而少数地区如黄土高原[51]、上海菜地[75]等农田土壤中MPs丰度较小。在工业活动频繁的地区，也可能会引入较高丰度的MPs，广东贵屿电子废物拆解区土壤中MPs的丰度达34100个·kg−1[86]。沿海地区可通过海水养殖、旅游和港口建设等活动引入大量MPs[87]。一些偏远地区也存在少量MPs，可能是通过游客活动、卡车轮胎磨损和农用地膜引入的[88]，或与大气传输有关。
土壤中MPs的垂直分布没有明显的规律[76]。例如我国上海郊区[75]、山东寿光[76]和德国石勒苏益格-荷尔斯泰因州[80]农田中表层土壤MPs丰度高于深层土壤MPs丰度，黄土高原[51]、山东胶州湾菜地和果园土壤[89]、毛里求斯农业土壤[90]中深层土壤含有更多的MPs，而我国云南滇池柴河流域农田[85]和墨西哥家庭花园[79]的表层和深层土壤MPs含量无显著差异。不同地区土壤MPs垂直分布可能会受到土壤翻耕、地表径流等因素的影响[51]，动物的摄食和排泄行为也可能影响MPs在表层和深层土壤之间的垂直转移[58, 64]。此外，少数研究还报道了土壤质地、植被覆盖、栽培时间、恢复年限等与MPs丰度的关系[50, 76, 85]。例如: 我国山东寿光的农业土壤和砂质壤土中MPs丰度显著高于粉质壤土[76]，毛乌素沙漠土壤MPs丰度高于草地和林地[50]；设施栽培时间>25与<10年的农田土壤中MPs丰度差异不显著，表明早期的设施栽培措施导致土壤中MPs的累积数量不高[85]。由此可见，土壤中MPs无处不在，不同地区土壤MPs污染水平之间的差异是人类农业活动、工业生产等因素共同作用的结果。值得注意的是，已有研究采用的分离、计数MPs的方法不一，在单位上也有区别，可能会低估或高估了土壤中MPs的真实污染水平。因此，未来的研究亟需建立土壤MPs分离和检测标准。在深层土壤中，MPs受阳光辐照的影响减小，且可降解塑料的微生物种群较少[91]，这意味着土壤深处MPs的老化降解可能减慢，其持久性可能会更长。那么，除了表层土壤，检测深层土壤中MPs的含量才能全面评估土壤中MPs的污染状况。
2. 土壤MPs污染的生态健康风险（Ecological health risks of soil MPs pollution）
土壤MPs可通过多种途径对生态系统构成潜在威胁(图4)。MPs的存在可直接影响土壤动植物、微生物的生长[92-94]，后经食物链的积累和传递可能对人体健康构成潜在威胁[79]。土壤MPs在土壤环境中能够吸附多种污染物质(如重金属、抗生素、农药等)[58, 95]，或与自身释放的添加剂(如增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂等)形成复合污染[96]，这会给土壤动植物的生长带来极大的危害，而土壤环境中的MPs大多处于老化/降解状态，较原生MPs对污染物表现为更高的吸附能力[97]，可能会对土壤生态系统构成更大的威胁。
2.1 MPs对陆生植物的影响
MPs进入农业土壤会对植物产生暴露，阻塞种子孔隙、限制根吸收水和养分[92]，影响植物的芽高、生物量和发芽率等[98-100]。Bosker 等[101]发现，绿色荧光塑料颗粒(50、500、4800 nm, 107个·mL−1)因堵塞种子的荚膜孔道会限制水芹种子发芽。而含PP、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)和PET的土壤MPs能促进番茄植株的生长，但会延迟结果和降低果实产量[102]。MPs还可通过改变土壤结构、容重、持水能力和营养成分[103-104]，间接影响植物根系性状、生长状态和养分吸收[99, 105]。de Souza Machado等[100]发现，MPs污染使得土壤容重降低，通气增加，有助于植物根系渗透到土壤中。然而，MPs(如微纤维)也会缠住幼根，阻碍幼苗的生长[92]。
MPs对植物生长的影响与其类型、暴露浓度、粒径等因素有关。de Souza Machado等[105]发现，PA、PE、HDPE、PP(均为2.0%)均会改变大葱的生物量、元素组成和根系性状，其影响程度因聚合物类型而异。Boots等[98]对比研究了生物降解的聚乳酸(PLA, 65.6 μm, 0.1% W/W)和难降解合成纤维((丙烯酸(AA)和尼龙混合物), 0.001% W/W)对黑麦草发芽的影响，发现两种MPs均会降低发芽率，PLA还会降低芽高。Qi等[99]也报道了类似的结果，即1%的淀粉基生物降解塑料和PE均抑制了小麦生长，且前者比后者的抑制作用更强。由此，生物降解材料来源的MPs对植物可能产生更强的毒性效应，值得进一步研究。一些研究表明粒径大小不同的MPs对植物的影响也不同，与5 μm PS(10、50、100 mg·L−1)相比，100 nm PS对蚕豆的生长抑制作用、遗传毒性和氧化损伤更强[106]。但目前，对于MPs在植物中的积累和转运以及对植物的毒性作用和机制等的认识仍不清楚。
2.2 MPs对陆生动物的影响
MPs被动物摄入后会影响其摄食行为、生长和繁殖[107]。与水生动物相比，MPs对陆生动物影响的生态毒理学研究非常有限，且主要集中在无脊椎动物(如蚯蚓)[93]。已有研究证实MPs暴露对蚯蚓的毒性作用主要包括抑制生长、体重减轻、肠道损伤、免疫响应、肠道微生物群落的改变，以及死亡率增加[70, 108-109]。少数研究报道了土壤MPs也会影响蜗牛[110]、土壤线虫[111]、小鼠[112]等的健康。MPs对动物的影响存在剂量-效应关系。Huerta Lwanga等[107]发现，0.2%的PE(<150 μm)对蚯蚓(Lumbricidae)的生长和存活没有影响，但较高的添加量(1.2%)有抑制作用。Cao等[108]同样发现，低剂量(≤0.5%)的PS(58 μm)对蚯蚓生长的影响不明显，但高剂量(1%、2%)的MPs显著抑制了蚯蚓的生长，死亡率达40%。PS(0.05—0.1 μm)在高暴露量(10%)下可观察到蚯蚓肠道微生物群的明显变化[113]。虽然低浓度MPs暴露不会明显影响动物的生长和引起动物死亡，但会诱使动物组织病理损伤和免疫响应[70]。在评估MPs对动物健康的影响时，粒径是除暴露剂量之外的重要影响因素，Lei等[111]研究了不同粒径的PS(0.1、0.5、1.0、2.0、5.0 μm)对土壤线虫(Caenorhabditis elegans)的影响，发现相同质量浓度(1 mg·L−1)下1.0 μm PS暴露后土壤线虫的存活率最低。然而，对于MPs对陆生动物的潜在影响，如MPs在动物组织中的积累和运输、MPs对动物的毒性作用和机制等方面的认识仍存在空白。
2.3 MPs对土壤微生物的影响
MPs内含或吸附的有机物可为微生物提供碳源[21]，微生物在MPs表面定殖后形成生物膜[114]，继而构成具有特殊微生物群落组成和功能的“塑料圈”[115]。研究发现，电子拆解厂区域的MPs(如PP、聚碳酸酯(PC)和ABS)及其周围环境的细菌群落存在显著差异，这可能是因为MPs为微生物提供了新的生态位[116]，或通过改变土壤理化性质(如破坏土壤结构、降低土壤密度、改变土壤持水能力等)影响了微生物的群落结构和功能[65, 117]。添加MPs后土壤微生物群落多样性的影响研究还处于起步阶段，Huang、Judy等[118-119]认为，HDPE(<2 mm, 0.1%、0.25%、0.5%、1% W/W)、PVC(<2 mm, 0.01%、0.1%、0.25%、0.5%、1% W/W)、PET(<2 mm, 0.1%、0.25%、0.5%、1% W/W)和LDPE(2 mm×2 mm, 0.076 g·kg−1)的存在并没有显著改变土壤微生物群落的丰度和多样性。但也有研究发现土壤中添加低或高浓度(1%、5%)的LDPE(678 μm)和高浓度(5%)的PVC(18 μm)均显著增加了β变形杆菌目(Betaproteobacteriales)和假单胞菌目(Pseudomonadales)的相对丰度，而高浓度的PVC(18 μm, 5%)显著降低了鞘脂单胞菌科(Sphingomonadaceae)的丰度[120]。这些研究结果之间的差异可能与MPs的类型、浓度、以及土壤的理化性质有关。不同类型的MPs对微生物活性影响不同，PP颗粒(<180 μm, 7%、28%)对土壤微生物活性有积极影响[103]，然而，Lozano等[94]发现PP碎片(<5 mm, 20%)会降低土壤微生物活性，PS颗粒(32.6 nm±11.9 nm, 1000 ng·g−1)、LDPE(643 μm, 17%)也对土壤微生物活性显示出负面影响[65, 121]，de Souza Machado等[105]的研究也报道了类似的结果，但在这些研究中，MPs粒径、形状、大小和浓度各不相同，因此很难得出MPs对微生物毒性的一般性结论。
此外，MPs作为致病菌和耐药菌的载体[122]，可能影响土壤中ARGs的分布和迁移。MPs与ARGs在环境中广泛共存，由于ARGs对人类健康的潜在不利影响，其传播越来越受到关注。水生环境中，多项研究表明MPs(如PVC、聚乙烯醇(PVA))可影响ARGs的分布和传播[123]。在土壤中，PS(0.08—0.10 mm, 0.1%)的存在已被证实会增加抗生素和ARGs的保留时间[124]，Lu等[125]也得出了类似的结果，MPs可促进土壤中ARGs丰度和数量，但还需要更多的证据来证实MPs污染是否促进ARGs在土壤环境中传播的结论。此外，Zhu等[126]发现土壤温度和湿度的升高均显著提高了MPs上ARGs的丰度，因此，在全球气候变化的情况下，土壤MPs对ARGs影响需引起更多的关注。
2.4 MPs对人类健康的潜在影响
MPs可通过改变土壤理化性质、降低土壤肥力，影响土壤的生态功能和粮食生产[127]，对人类的生存和发展产生潜在影响。MPs也可经陆生食物链传递进入人体。MPs及其吸附的污染物可在动植物体内积累[79]，食用植物可以从土壤中吸收和积累微型(0.2 μm)荧光PS珠[128]，100 nm PS可以在蚕豆、生菜根中积累，然后运输到茎叶[106]。一些重要的家禽(如鸡)也可食用MPs[79]，而当人们食用被污染的家禽或蔬菜时，MPs可能在人体内大量积累。据估计，在墨西哥每人每年通过食用鸡肉就可摄入840个塑料颗粒[79]，MPs一旦进入人体，可能引起炎症与应激反应、产生生殖与发育毒性，或改变肠道微生物的组成和功能[129]。MPs(＜150 μm)可能会从肠腔转移到淋巴和循环系统，进而导致全身暴露[129]。Schirinzi等[130]证明了MPs(PS, 10 μm)和NPs(PS, 40、250 nm)可诱导人体细胞发生氧化应激，并在细胞水平上引起细胞毒性。MPs和NPs与免疫系统作用还可能会导致免疫毒性，进而引发不良反应(即免疫抑制、免疫激活和异常炎症反应)[131]。Prata[132]还发现，由于摄入MPs引起的慢性炎症和刺激可能会因DNA损伤而导致癌症。此外，常见的塑料添加剂，如邻苯二甲酸盐、阻燃剂、双酚A等，与生殖和发育障碍有关，可能引发乳腺癌、血液感染、青春期过早和生殖器缺陷[133]。目前开展的土壤MPs由食物链传递被吸食进入人体的研究还比较少，但已经在人类食物[129]和粪便[134]中检测到了MPs，甚至在人类胎盘、婴儿粪便、婴儿内脏中也发现了MPs的存在[135]，虽然没有证据表明这些MPs是来源于土壤环境，但该结果应该足以引起人们对土壤MPs的重视。此外，大气MPs或许能通过反射阳光辐射对气候有冷却效果[136]，而土壤中的MPs通过扬尘进入大气环境是否也有同样的效应，进而引起一系列的生态健康问题，如气候变化、水文调节及粮食安全等[137]。
2.5 MPs与其他污染物的复合污染毒性及生态风险
MPs因疏水性强、比表面积大[138]，可以吸附多种有机和无机污染物，如多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)、重金属等[58, 95]，或与自身释放的添加剂(如增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂等)形成复合污染[96]，从而影响土壤动植物的生长。对植物来说，Gao等[96]发现当加入邻苯二甲酸二丁酯(DBP)时，PS (100—1000 nm、>10000 nm)加重了DBP诱导的植物毒性，增强了对生菜(Lactuca sativa L. var . ramosa Hort)的负面影响，且小粒径PS（100—1000 nm）对生菜的不利影响略大。Liu等[139]发现土壤中PE(200—250 μm，0.5%、1%、2%、5%、8% W/W)和菲(100 mg·kg−1)共同污染比单一处理对小麦幼苗(Triticum aestivum L. cv. NAU 9918)的毒性更强，PE的单一污染破坏了小麦叶片的光合系统，而PE和菲复合污染则加剧了这种破坏。MPs与土壤中重金属等无机污染物的复合污染也引起了人们的关注。Dong等[140]研究发现，在As(Ⅲ)存在下，大尺寸的PS(5 µm)可以迁移到胡萝卜的叶和根部，这是由于As(Ⅲ)增加了PS表面的负电荷，同时As(Ⅲ)也会导致细胞壁扭曲和变形，并导致更多的MPs进入胡萝卜，降低其质量。另一项研究表明，PET(<2 mm)还可以作为载体将重金属运输到小麦根际区域[141]。而Zong等[142]的研究表明，与单一重金属处理相比，PS(0.5 µm, 100 mg·L−1)与Cu2+、Cd2+的结合增加了小麦中叶绿素含量，增强了光合作用，减少了活性氧(ROS)的积累，表明PS(0.5 µm, 100 mg·L−1)对Cu2+、Cd2+的生物利用度和毒性具有缓解作用。对动物来说，Zhou等[143]发现PP(<150 μm, 0.03%、0.3%、0.6%、0.9%)与重金属(Cd, 8 mg·kg−1)二者联合暴露会对蚯蚓(Eisenia foetida)产生更强的负面影响，降低蚯蚓的生长速度并增加其死亡率。而另一项研究却发现，PVC可能通过吸附/结合As(Ⅴ)，降低As(Ⅴ)的生物利用度来缓解As(Ⅴ)对肠道菌群的影响，从而防止As(Ⅴ)的减少和总砷在肠道中的积累，降低对蚯蚓(Metaphire californica)的毒性[144]。然而，Sun等[145]发现，MPs(40—50 μm, 10 mg·kg−1、300 mg·kg−1)可显著增加毒氟磷杀虫剂在蚯蚓体(Eisenia fetida)内的生物蓄积性，加重对蚯蚓的氧化损伤和干扰代谢。Boughattas等[146]将MPs(100 µg·kg−1)和除草剂2,4-二氯苯氧乙酸(2-4-D)(7 mg·kg−1)共同暴露于土壤中，结果表明，MPs增加了蚯蚓中的2,4-D生物积累，破坏了溶酶体膜的稳定性和氧化状态，并增加了抗氧化基因的表达。
目前，不管是对MPs的单一毒性研究还是与其他污染物的复合毒性研究，都存在受试动植物类别有限、土壤类型单一、研究周期短等问题，且MPs的种类、大小和浓度与实际土壤环境有一定的差异，如实验室研究中所用MPs浓度往往会高于实际土壤环境中MPs的最大浓度（6.7%）[147]，未来的研究应在环境相关浓度条件下评估生态效应。更重要的是，没有充分考虑自然环境因素，真实土壤环境中MPs更多是处于老化或被生物膜定殖的状态，这无疑增加了MPs上的吸附位点，可能使得MPs上吸附的污染物更多，对陆地生态系统构成更严重的威胁。此外，粒径较小的MPs，特别是NPs，可能对陆地生态系统的健康风险更大[21]，应作为重点评估的对象。
2.6 MPs的老化/降解及其潜在生态风险
MPs在土壤中的长期积累可以进一步老化或降解[21]。除光照辐射、机械磨损、风化侵蚀外，土壤环境中动物群和微生物(如细菌和真菌)也可以降解MPs[21, 107, 148]。从土壤中分离得到的假单胞菌属细菌AKS2对LDPE的降解率在45 d内达到4%—6%[149]，在地膜中分离得到的红球菌C208对PE塑料薄膜的降解率在30 d内达8%[150]。但目前从土壤中分离出能降解MPs的菌株种类较少，因此探究用于降解土壤MPs的微生物可能是进一步研究的方向之一。而生物体可以通过咬、咀嚼或消化碎片来物理降解MPs[151-152]。蜡螟(Waxworms)、印度谷螟(Indian Mealmoths)已被证实能吞食PE并在其肠道微生物的帮助下降解塑料聚合物[153]。此外，大麦虫(Zophobas Morio)、黄粉虫(Tenebrio molitor)、蚯蚓等均具有降解MPs的能力[154-156]。老化/降解会改变MPs的表面结构、疏水性、结晶度和比表面积，并增加MPs表面C—O、C=O、—OH等含氧官能团的数量[8, 97]，导致老化或降解MPs具有更高的吸附能力，使其可以吸附其他污染物质，对土壤生态系统构成更大的威胁。
目前，关于土壤MPs的老化或降解对陆地生态系统的危害研究并不多，主要是以下几个方面。首先，长期风化会使MPs分解成为NPs，许多研究已证明粒径较小的NPs可能较MPs具有更大的环境流动性和毒性[111]。Muhammad等[157]发现家蚕(Bombyx mori)暴露于PS MPs(5—5.9 μm, 10 μg·mL−1)的个体在感染后存活得更好，而暴露于PS NPs(50—100 nm, 10 μg·mL−1)的个体则表现出更高的死亡率。Liu等[158]也得出了类似的结果，相较于100 nm PS NPs，20 nm PS NPs(0.1—100 μg·L−1)对线虫(Caenorhabditis elegans)表现出更强的毒性。其次，老化MPs对污染物表现为更强的吸附能力，且老化的可降解MPs更强[51, 159]。Zhang等[159]研究发现，搁浅的PS泡沫对土霉素的吸附能力高于原始PS泡沫的吸附能力，Fan等[55]的研究也发现通过紫外线的老化过程，PLA、PVC对四环素、环丙沙星的吸附能力增加，且可降解PLA表现出更好的吸附能力，这些研究表明更多的有机污染物可以吸附并浓缩到老化的MPs上，形成的复合污染可能对生物体造成更严重的危害。最后，一些研究还探究了在超纯水和模拟肠液中，抗生素在原生/老化MPs上的解吸行为，发现与原生MPs相比，抗生素在老化MPs上解吸量更大，且模拟肠液中的抗生素解吸量比超纯水中大，这可能会对生物体造成更严重的危害[55]。除了老化MPs对生物体的危害外，也可能会带来其他的环境问题，如老化后形成的NPs由于粒径太小，如何从土壤环境中检测丰度及去除也是一大难题。综上，老化MPs的生态毒性问题及其带来的环境污染问题值得高度关注。
3. 结论与展望（Conclusion and perspective）
（1）土壤MPs的来源途径很多，包括未合理处置的塑料垃圾、污泥堆肥、有机肥的施用、农业灌溉、地膜覆盖等，但当前的研究仅停留在对土壤MPs来源的描述上，很少聚焦MPs的溯源研究，现有的技术条件无法将MPs从环境中根除，因此从源头管控就显得尤为重要。但如今土壤MPs溯源几乎处于空白状态，建议加强这方面的研究，为土壤中MPs的源头控制提供关键支撑。
（2）MPs污染在全球土壤环境中普遍存在，应加大力度调查土壤MPs丰度。不同地点、土地类型、不同深度土壤中MPs污染水平和特征存在较大差异，频繁的农业活动导致农田土壤MPs污染较为严重，PE、PP、PS是土壤中最常见的MPs类型。通过大气传输、植物积累、动物摄食、翻耕等多种途径，MPs最终可迁移到深层土壤甚至含水层，因此检测深层土壤中MPs的含量才能全面评估土壤MPs的污染状况。迁移到地下水中的MPs可能带来新的环境问题，但相关的环境风险预测、评估和防控仍缺乏。
（3）土壤MPs的存在会对动植物的生长产生不同影响，关于这方面的研究存在暴露时间短、受试动植物类别有限、土壤类型单一以及MPs种类、粒径大小和浓度与实际土壤环境有一定差异等问题，未来应结合实际土壤环境状况加强这方面的研究。土壤MPs经陆生食物链的传递和积累，可能对人类健康构成严重威胁，但关于环境相关浓度土壤MPs对不同类型动植物的阈值毒性水平及其在食物链中转移的研究还不足，这些问题在后续研究中需重点考虑，以全面揭示陆地生态系统中MPs带来的生态风险。
（4）MPs因疏水性强、比表面积大，可以吸附多种有机和无机污染物，从而影响土壤生物的生长，MPs还可与自身释放的添加剂等形成复合污染，使得MPs的环境行为更加复杂。但目前关于土壤MPs与其携带的污染物结合和释放的机理尚不清楚，与多种有害污染物共同暴露对陆生生物的毒性效应和人体健康的风险亟待研究。未来的研究重点应关注MPs进入到土壤中如何参与其他元素(如重金属)和污染物的环境地球化学行为及生物效应。
（5）土壤MPs的存在可改变微生物的群落结构和功能，反过来，在微生物、土壤动物、光照辐射等作用下MPs可进一步老化或降解，可能对土壤生态系统构成更大的威胁。但MPs影响土壤微生物的机制和途径暂不明晰，未来探究MPs对微生物群落结构、微生物活性的影响，MPs对全球生态系统和生物地球化学循环及对ARGs的影响是研究的重点方向之一。此外，还应寻找绿色、高效且环保的控制措施，以减少生物体对MPs的吸收，并降低其在土壤生态系统中的迁移。
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图 1 Fe/NC放大10000倍（a）和放大100000倍（b）的SEM图像，面扫总谱图（c）和表面元素种类图（d）
Figure 1. SEM images of Fe/NC magnified by 10000 times （a） and 100000 times （b）, surface scanning general spectrum （c） and surface element type diagram （d）
图 3 不同温度下制得的Fe/NC-700（a）、Fe/NC-800（b）和Fe/NC-900（c）的拉曼图谱
Figure 3. The Raman pattern of Fe/NC-700（a）, Fe/NC-800 （b） and Fe/NC-900（c） prepared under different temperature
图 4 Fe/NC-900的XPS全谱（a）、C1s（b）、N1s（c）和Fe2p（d）精细谱
Figure 4. The XPS full spectrum （a）, C1s （b）, N1s （c） and Fe2p （d） fine spectrum of Fe/NC-900
图 5 不同体系下Fe/NC活化PS降解OTC效果
Figure 5. Degradation of OTC by Fe/NC activated PS at different reaction system
图 6 催化剂投加量（a）、PS浓度（b）和初始pH值（c）对OTC降解效果的影响
Figure 6. Degradation effect of OTC under the influence of catalysts dosage （a）, PS concentration （b） and initial pH （c）
图 7 自由基淬灭（a）、不同水基质（b）、回用的催化剂（c）对OTC的降解效果的影响
Figure 7. Degradation effect of OTC under the influence of radical quenching （a）, different water substrates （b） and recycled catalyst （c）
表 1 Fe/NC-900的元素组成与比重
Table 1. Element composition and specific gravity of Fe/NC-900
元素Element 质量百分比/%Weight percentage 原子百分比/%Atomic percentage C 35.31 56.89 O 14.43 17.45 N 7.97 11.01 Fe 42.29 14.65 *结果来自EDS mapping. 
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表 2 Fe/NC在不同温度热解产物BET数据
Table 2. BET data of Fe/NC pyrolysis products at different temperatures
催化剂Catalyzer 比表面积/（m2·g−1）Specific surface area 孔体积/（cm2·g−1）Pore volume 孔径尺寸/nm Aperture size Fe/NC-700 195.33 0.27 5.60 Fe/NC-800 256.36 0.18 2.91 Fe/NC-900 429.54 0.41 3.80
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