综述：土壤和水生生态系统中的纳米塑料：来源、影响及基于自然的修复策略

《Environmental Pollution》：Nanoplastics in Soil and Aquatic Ecosystems: Sources, Impacts, and Nature-Based Remediation Strategies

纳米塑料（NPs）作为新兴污染物，广泛分布于土壤和水体中，其来源包括塑料 mulching、废水灌溉及大气沉降等，对植物生长、土壤微生物群落及生态系统稳定性造成显著威胁。本文系统综述了NPs的来源、迁移规律及生态效应，重点探讨了基于植物修复（如向日葵、水葫芦等吸附富集）和生物修复（微生物降解）的可持续治理策略，提出了标准化检测方法与政策框架的完善方向。

　　

Cengiz Kaya|Muhammad Ashraf|Binoy Sarkar|Nanthi Bolan|J?rg Rinklebe|Parvaiz Ahmad

土耳其桑利乌尔法哈兰大学土壤科学与植物营养系

摘要

纳米塑料（NPs）被定义为直径小于100纳米的塑料颗粒，越来越多地被认为是土壤和水生生态系统中的新兴污染物。这些颗粒的广泛存在源于塑料薄膜覆盖、废水灌溉、大气沉降以及大块塑料的分解。最新研究表明，水生环境中的纳米塑料浓度范围为0.3至488微克/升，而农业土壤每年可能含有高达660万吨的微塑料，这凸显了问题的严重性。植物可以通过根部和叶片途径吸收这些颗粒，已有证据表明它们会在水果、蔬菜和谷物的可食用组织中积累，从而直接引发对食品安全和人类健康的担忧。纳米塑料可引发氧化应激、干扰光合作用、破坏土壤微生物群落，并改变水生生物多样性，进而威胁生态系统稳定性和农业生产力。本文综述了目前关于纳米塑料来源、分布及其在陆地和水生系统中行为的知识，重点关注了其与植物和土壤微生物群的相互作用。特别介绍了基于自然的修复策略，包括植物修复和生物修复，作为环保且可扩展的方法来减轻纳米塑料污染。通过整合环境行为、生态影响和修复策略，本文为土壤和水生生态系统中纳米塑料污染的可持续管理提供了关键见解。

引言

纳米塑料（NPs）通常定义为纳米尺寸范围内的塑料颗粒（通常<100–1000纳米），由于塑料生产的快速增长和废物管理不善，它们已成为普遍且持久的污染物。这些颗粒来源于大块塑料碎片的破碎和降解，以及工业废水、农业投入物、大气沉降和消费品（如化妆品和洗涤剂）（Jiang等人，2020年；Mitrano等人，2021年；Rashed等人，2023年）。由于纳米塑料的生物可利用性、持久性和对陆地及水生生物的潜在毒性，其在环境中的普遍存在引发了越来越多的担忧（Besseling等人，2014年；Wang等人，2022年）。

在陆地系统中，尤其是农业土壤中，纳米塑料可通过使用塑料薄膜、污泥、堆肥、聚合物涂层肥料和废水灌溉而积累（Maddela等人，2023年；Singh等人，2023年）。一旦进入土壤，纳米塑料会与土壤矿物质、有机物和微生物群落相互作用，可能干扰养分循环、微生物多样性和土壤肥力（Wahl等人，2021年；Ali等人，2022年；Hao等人，2024a）。在水生系统中，纳米塑料在海洋、河流和受保护的自然区域中被广泛检测到，浓度范围为0.3至488微克/升，它们会在沉积物和各个营养级（浮游生物、游泳生物和底栖生物）中积累，通过氧化应激和免疫功能障碍等机制影响生长、繁殖和生理功能，从而威胁生物多样性和水生食物网的稳定性（Shi等人，2024a）。纳米塑料在土壤基质中的移动性，以及它们通过非质外途径和维管途径被根部吸收并随后在体内运输的特性，使其环境命运复杂化，并为纳米塑料进入陆地食物链提供了潜在的途径（Maity等人，2022年；Hua等人，2022年）。Allan等人（2021年）强调了全球合作和监管共识的必要性，指出了在纳米塑料对人类健康和环境影响方面的知识空白以及采取行动的紧迫性。尽管已经提出了许多用于检测、分离和定量纳米塑料的分析方法，但其在实际环境样本中的应用仍然有限且不够协调（Cai等人，2021年）。应对纳米塑料及其影响的挑战至关重要，科学家们正在研究和测试创新技术以确保生态系统的安全管理。

植物可以在叶片表面拦截并保留大气中的纳米塑料，并可能通过叶片途径将其吸收，表明大气沉降是植物暴露于纳米塑料的重要但未被充分认识的途径（Zhou & Xia，2024年）。纳米塑料可能引发氧化应激、干扰代谢过程并损害植物的光合作用，例如在Cucumis sativus暴露于聚苯乙烯纳米塑料的情况下（Li等人，2020年）。此外，具有不同表面电荷的纳米塑料在Arabidopsis thaliana中的积累和内部分布模式不同，这突显了物理化学性质在植物吸收中的作用（Sun等人，2020年）。值得注意的是，纳米塑料可以改变植物组织中内生微生物群的组成和相互作用网络，从而影响不同植物物种的养分可用性和生长表现（Hao等人，2024b）。

鉴于纳米塑料污染的复杂性和持久性，修复策略必须具有可持续性、可扩展性和对生态系统的友好性。植物修复和生物修复是两种有前景的基于自然的方法。植物修复利用植物吸收、积累和固定塑料的能力，而生物修复则利用微生物代谢来转化或降解塑料颗粒（Tiwari等人，2020年；Yuan等人，2024年）。这些策略不仅能够减轻纳米塑料污染，还能通过改善微生物-植物相互作用和相关生态系统服务来提高土壤健康和植物抵抗力。

虽然之前已有关于纳米塑料及其与植物相互作用的综述（Gong等人，2023年；Singh等人，2023年），但本文在多个关键领域做出了重要贡献。全面评估了农业系统中的纳米塑料污染风险，探讨了植物修复、生物修复、环境影响、监管框架和新兴技术。通过关注这些具体方面，我们的综述提供了新的额外信息，补充了现有文献，为研究纳米塑料污染的农业环境的研究人员、政策制定者和实践者提供了宝贵见解。

纳米塑料的来源、传输和环境命运

农业土壤中的纳米塑料可能来源于较大塑料碎片的自然老化和破碎，土壤成为塑料衍生颗粒的长期储存库（Pathan等人，2020年）。农业中的塑料投入物，如塑料薄膜，在土壤中会经历风化和微生物降解，促进农业生态系统内的塑料分解过程（Anunciado等人，2021年）。主要的农业塑料污染源包括塑料薄膜覆盖、温室

陆地和水生植物中的纳米塑料植物修复

植物修复被提出作为一种潜在的方法，用于原位修复受微塑料和纳米塑料（MPs/NPs）污染的环境，基于植物对MPs/NPs的吸收及其与它们的相互作用，以及减轻其对生态系统的毒性（Gong等人，2023年）。水生大型植物如Lemna minor、Spirodela polyrhiza和Pistia stratiotes通过根部和叶片表面有效吸附和积累聚苯乙烯纳米塑料，而E. crassipes还能将纳米塑料转移给其他植物

农业和水生系统中纳米塑料修复的新兴技术和准备情况评估

纳米塑料（NPs）在农业和水生环境中的持久性、移动性和生态影响要求开发先进的、可持续的修复技术。传统的修复方法（如沉淀或过滤）在纳米尺度上往往效果不佳，可能在经济或环境上不可持续。纳米技术、生物工程和环境科学的最新进展引入了一代具有强大潜力的新工具

农业和水生系统中纳米塑料使用的监管框架和指南

对纳米塑料的生态和人类健康影响的日益关注凸显了需要更全面和协调的监管框架来管理其识别、定量和风险评估。目前的全球监管工具仍然不足，主要是由于定义上的模糊性、分析方法的局限性和不协调性，以及关于纳米塑料物理化学行为和毒理效应的持续不确定性

未来方向和研究重点

随着纳米塑料在陆地和水生环境中的持续积累，它们与植物、土壤、微生物和水系统的相互作用仍不完全清楚，这成为准确风险评估和管理的重大限制。未来的研究应优先开发标准化和协调的方法，用于检测、表征和量化不同环境基质（包括土壤、灌溉水和可食用植物）中的纳米塑料

结论

纳米塑料污染对土壤健康、水生生态系统、作物安全和粮食安全构成了日益严重的环境威胁。本文综述了纳米塑料在陆地和水生系统中的来源、命运和生态影响，特别关注了它们与植物和微生物的相互作用。它强调了纳米塑料通过根部和叶片两种途径进入植物系统并影响生长、代谢等的双重途径

CRediT作者贡献声明

J?rg Rinklebe：撰写——审稿与编辑。Parvaiz Ahmad：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据分析、概念化。Binoy Sarkar：撰写——审稿与编辑。Nanthi Bolan：撰写——审稿与编辑。Cengiz Kaya：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、概念化。Muhammad Ashraf：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、概念化

未引用参考文献

Patil等人，2022年；Prathima等人，2023年；Yu等人，2022年。

数据可用性

由于本研究未生成或分析新的数据，因此不适用数据共享。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：由于Parvaiz Ahmad担任期刊编辑，他未参与本文的同行评审，也无法获取有关其同行评审的信息。本文的编辑工作完全由另一位期刊编辑负责。

致谢

作者感谢哈兰大学提供数字资源。本手稿使用了人工智能工具进行语言编辑，以提高语法、清晰度和流畅性。