《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Evaluating the multidimensional impacts of micro- and nanoplastics on soil properties, yield, and quality of horticultural crops
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农业系统微塑料（MP）和纳米塑料（NP）污染来源、对土壤及作物的影响、检测技术局限及可持续管理策略，强调需加强机制研究和缓解措施。
乔·J·卡瓦拉克卡尔（Joe J. Kavalackal）|希文德·塔库尔（Shivender Thakur）|尼哈·夏尔玛（Neha Sharma）|维沙尔·辛格·拉纳（Vishal Singh Rana）|桑尼·夏尔玛（Sunny Sharma）|舒布拉·辛格尔（Shubhra Singhal）|鲁佩什·库马尔（Rupesh Kumar）|阿米特·库马尔（Amit Kumar）
印度旁遮普邦法格瓦拉（Phagwara）可爱专业大学（Lovely Professional University）农业学院，邮编144411
摘要
由于被称为微塑料（MP）和纳米塑料（NP）的陆地污染物，农业系统正面临日益严峻的挑战。科学证据表明，这些微小颗粒会渗透到土壤、水和空气中，这主要是由于使用塑料薄膜、化肥以及各种灌溉系统等农业活动所致。这些颗粒能够深入土壤层，改变微生物活动、养分循环和土壤物理性质。水果作物对微塑料和纳米塑料的吸收会对食品安全、产量、生长和生产力产生负面影响。本文全面涵盖了草莓、苹果、梨和柑橘等园艺作物，番茄、黄瓜和辣椒等蔬菜作物，以及胡萝卜和萝卜等根茎类作物的情况。尽管微塑料和纳米塑料普遍存在，但关于它们在土壤中的滞留时间（暂时性或永久性）以及其在土壤中的传输机制、生物降解过程和植物吸收机制的信息仍然非常有限。本文还介绍了农业系统中微塑料和纳米塑料的处理方法及其对植物和土壤健康的影响，进而影响人类健康和食品安全。研究结果强调了开展持续研究的必要性，以制定有效的缓解策略，减少塑料污染的负面影响，从而提高作物生产系统的可持续性和韧性。
引言
微塑料和纳米塑料是人工合成的聚合物，存在于土壤、海洋、空气中，甚至我们日常饮用的水中（Ivleva等人，2017年；Koelmans等人，2019年）。“微塑料”这一术语由Thompson等人（2004年）首次提出，当时他们在海洋、河流和其他海洋环境中发现了小型塑料碎片。微塑料的上限尺寸被设定为5毫米（Arthur等人，2009年）。如今，尺寸小至1微米的塑料纤维和颗粒被视为纳米塑料，而尺寸在1毫米到5毫米之间的塑料颗粒则被视为微塑料（Gigault等人，2018年；Hartmann等人，2019年）。尺寸在1到5毫米之间的塑料颗粒通常被称为大微塑料。由于塑料材料具有耐用、轻便、抗腐蚀和阻燃等优点，它们被广泛应用于各个领域，从而改善了人们的生活质量。然而，过度使用塑料也给环境带来了全球性挑战，甚至进入了食物链，对动物和海洋生物构成威胁（Koelmans等人，2019年）。
针对不同类型土壤的田间研究表明，微塑料（MP）的尺寸大多在几微米到5毫米之间，其浓度低于0.1%（按重量计），但由于塑料薄膜、生物固体和废水灌溉等用途，随着时间的推移，其数量会逐渐增加（Boctor等人，2025年；Kumar等人，2020年）。纳米塑料（NP）的尺寸小于1微米，由于现有检测方法的局限性（通常检测范围为0到5000微米且不够精确），在土壤样本中难以识别；但据报道，纳米塑料具有较高的移动性，能够渗透到土壤表层以下和地下水中（Carpanez等人，2025年）。研究表明，农业土壤中的微塑料颗粒主要由大于100微米的纤维和碎片组成，而纳米塑料虽然较少被分析，但已知其对土壤生物和作物生物具有毒性。微塑料和纳米塑料的存在会影响土壤中的微生物种群、物理性质和化学性质，由于颗粒体积小，它们对作物生物的毒性影响更为显著（Azeem等人，2021年；Boctor等人，2025年；Maddela等人，2023年）。目前，关于微塑料和纳米塑料的检测和表征方法尚未标准化，因此无法准确评估其数量，从而影响了风险评估（Junhao等人，2021年；Kumar等人，2020年）。从农业土壤的实地研究来看，100微米到5毫米范围内的微塑料在农业土壤中的含量较高，而小于1微米的纳米塑料虽然被识别，但由于检测方法的局限性，相关报道较少，这凸显了需要进一步改进检测设备并在农业生态系统中开展更深入研究的必要性（Boctor等人，2025年；Carpanez等人，2025年；Junhao等人，2021年）。
微塑料和纳米塑料的污染程度（表1）与热塑性塑料产品的使用量有关，例如高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。全球范围内，淡水及饮用水中的微塑料污染顺序为：聚丙烯 > 聚苯乙烯 > 聚氯乙烯 > 聚对苯二甲酸乙二醇酯（Koelmans等人，2019年）。上述传统塑料还包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚氨酯（PUR）和聚酰胺（PA）等生物塑料（可生物降解的塑料或源自生物基材料的塑料）。聚丁酸丁二醇酯（PBAT）和聚乳酸（PLA）目前广泛用于农业包装材料（Hartmann等人，2019年）。尽管有大量证据表明微塑料和纳米塑料在农业生态系统中普遍存在，但对其在土壤中的行为、相互作用及长期影响仍知之甚少。尽管如此，这些微小颗粒可以通过塑料薄膜、化肥施用和太阳能灌溉等农业活动进入土壤、水和空气。然而，关于它们在土壤中的传输机制、相互作用及其在土壤中的存活情况仍缺乏深入了解。此外，关于微塑料和纳米塑料对氮循环、碳循环和水循环的影响也知之甚少。
另一个重要的研究空白是微塑料和纳米塑料在植物组织中的吸收、转运和积累机制，尤其是在可食用部分。颗粒的大小、所使用的聚合物类型以及植物品种的差异，进一步复杂化了评估这些颗粒引起的生理和生化效应的过程。此外，微塑料、纳米塑料与其他农用化学品联合使用时的协同或拮抗效应也尚未得到充分研究，这对作物生长和环境安全构成了严重威胁。需要进一步研究微塑料和纳米塑料对土壤韧性、食品安全及其生态和经济影响的长期效应。
本研究的主要目标是：（i）探讨农业系统中微塑料和纳米塑料的主要来源和污染机制；（ii）分析它们对土壤健康、植物生长和生产力的影响；（iii）了解它们的传输、降解和植物吸收机制；（iv）评估微塑料和纳米塑料污染对人类健康和食品安全的潜在影响；（v）研究减少农业系统中塑料污染的可持续缓解策略。通过系统而跨学科的研究，可以全面了解微塑料和纳米塑料污染的环境风险，并采取绿色措施保护土壤和植物健康。最新研究表明，微塑料也是轮胎磨损颗粒（TWP）的一部分，占合成聚合物的40-60%（如苯乙烯丁二烯橡胶、油漆颗粒和表面涂层）。这些多组分系统由粘合剂、颜料、填料和添加剂组成，合成聚合物还用于形成薄膜（如聚酯、醇酸树脂和环氧树脂）和物理干燥系统（如丙烯酸和乙烯基聚合物）（Hartmann等人，2019年；Lambourne和Strivens，1999年）。
微塑料和纳米塑料在农业系统中的来源
微塑料的来源可分为主要来源和次要来源。主要来源是指特意制造成特定大小和形状的塑料；次要来源是指在制造过程中自然形成的微小塑料，例如用于化妆品的PE微珠、工业研磨剂中的丙烯酸颗粒以及用于生产塑料颗粒的原料。
土壤-植物相互作用
微塑料在土壤中的积累会改变土壤的特性（Guo等人，2022a；Lozano等人，2022）。微塑料的形状也会影响其与土壤颗粒的反应（De Souza Machado等人，2019a；Rillig等人，2019；Rillig和Lehmann，2020）。线性结构的塑料纤维可能会破坏土壤结构（de Souza Machado等人，2018）。微塑料还具有吸收重金属或抗生素等化学物质的能力。
对发芽和幼苗发育的影响
干燥种子在初期会迅速吸收水分（第一阶段，称为吸水），随后进入水分吸收稳定期和种皮破裂阶段（第二阶段），最后是水分吸收爆发、胚轴伸长和胚根及下胚轴出现阶段（第三阶段）（Finch-Savage和Leubner-Metzger，2006；Srivastava等人，2021）。这些阶段中的任何一个或全部都可能受到微塑料和纳米塑料的化学或物理影响。
营养成分的变化
根据Alharbi等人（2023）的研究，聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、高密度聚乙烯（HDPE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等五种微塑料降低了Capsicum annuum的 nutritional qualities。与对照组相比，PVC对C. annuum果实的营养成分影响最大（P ≤ 0.05）。
土壤改良和修复技术
微塑料在土壤中的存在会对土壤生物多样性及其功能产生负面影响。Palansooriya等人（2022）的研究表明，生物炭可以改善受LDPE污染土壤的化学和微生物特性。
未来研究方向
微塑料最近被确认为农业系统中的新型污染物。通过肥料、灌溉水、大气沉降以及用于覆盖膜的塑料薄膜的分解，微塑料会进入土壤。一旦进入土壤，它们会影响微生物群落，并可能改变土壤的重要物理化学性质，如保水性、团聚体稳定性和通气性。
结论
微塑料和纳米塑料严重威胁农业系统的可持续性。这些来自塑料薄膜、灌溉水和化肥等来源的颗粒会干扰养分循环、土壤结构和微生物活动等重要功能。问题在于，这些塑料颗粒不仅本身具有污染性，还常常引发连锁污染效应。
CRediT作者贡献声明
乔·J·卡瓦拉克卡尔（Joe J. Kavalackal）：撰写初稿、数据整理、概念构建。
希文德·塔库尔（Shivender Thakur）：撰写与编辑、方法论研究、数据整理。
尼哈·夏尔玛（Neha Sharma）：撰写与编辑、可视化处理、验证、资源收集、概念构建。
维沙尔·辛格·拉纳（Vishal Singh Rana）：撰写与编辑、验证、调查研究。
桑尼·夏尔玛（Sunny Sharma）：撰写与编辑、撰写初稿、数据分析、概念构建。
舒布拉·辛格尔（Shubhra Singhal）：撰写……
资金信息
未提供相关信息。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
