外源微塑料添加对植物和土壤铊(Tl)累积能力的影响及其在环境修复中的应用价值

《Toxics》：Effect of Exogenous Addition of Microplastics on the Ability of Plants and Soil to Accumulate Thallium Jinjin Wang, Pengfei Che, Junlie Zhou, Jian Luo, Shunbin Lan, Xiuxiang Meng, Huibin Shi and Jinzhao Hu

本研究揭示了铊污染矿区中，聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)等微塑料(MPs)可特异性改变砷超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata)和龙葵(Solanum nigrum)对铊的累积行为，并评估了其潜在生态风险指数(Er)，为重金属(HMs)与MPs共污染土壤的精准植物修复提供了新视角。

　　

1. 引言

铊(Tl)是一种高毒性重金属，可对环境造成严重神经和器官损伤，是中美等国环境优先控制污染物。在铅锌矿区，土壤铊污染与广泛共存的微塑料(MPs, <5 mm)形成了复杂的复合污染。MPs因其巨大的比表面积和丰富的表面官能团，可作为重金属迁移转化的重要载体。然而，MPs如何影响超富集植物对铊的累积能力，目前尚不清楚，这限制了对这类复合污染环境行为的全面认知。为填补这一空白，本研究以大凉子矿区土壤为研究对象，旨在：(1)评估土壤中铊的污染和富集特征；(2)揭示MPs对植物铊吸附的影响；(3)阐明MPs添加对土壤生态风险的作用。

2. 材料与方法

研究区域为四川省大凉子铅锌矿。于2023年7月系统采集了该矿区表层土壤样品。实验采用盆栽模拟培养，于2023年10月开始。选取两种本地植物：蜈蚣草(Pteris vittata)和龙葵(Solanum nigrum)。实验设置五个处理组：一个空白对照组(CK)，以及四个分别添加了聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的MPs处理组，MPs添加浓度均为0.45% (w/w)。正式培养45天后，收集植物和土壤样品。所有样品经酸消解后，使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定铊等重金属含量。土壤pH值依据标准(NY/T 1377–2007)测定。采用地质累积指数(I_geo)、生物浓缩因子(BCF)和潜在生态风险指数(E_r)综合评估了污染水平、植物富集能力和生态风险。

3. 结果与讨论

3.1. 不同土壤类型中的重金属污染水平

地质累积指数分析显示，大凉子矿区土壤中铊(Tl)和铅(Pb)污染最为严重，I_geo值分别为2.41和2.56，属于中-重污染。相比之下，钡(Ba)、铬(Cr)和钒(V)的污染水平较低。值得注意的是，通过种植修复植物，土壤中铊和铅的污染得到了有效缓解。蜈蚣草使土壤中铊和铅的I_geo值分别降至0.45和0.24，龙葵则使其分别降至0.41和-0.42。这表明，蜈蚣草和龙葵可用于修复该污染土壤，并具有可行性和有效性。

3.2. 添加MPs后植物的铊富集系数

MPs类型显著影响了两种修复植物对铊的累积。对于蜈蚣草，与CK组相比，PE处理显著促进了其铊的累积，使铊含量从0.094 mg kg^-1增至0.122 mg kg^-1。而PP、PVC和PET处理则抑制了蜈蚣草对铊的吸收，其铊含量分别降低0.004 mg kg^-1、0.002 mg kg^-1和0.070 mg kg^-1。根据生物浓缩因子(BCF)排序，蜈蚣草对不同MPs处理的铊富集能力依次为：PE (0.29) > PP (0.20) > PVC (0.18) > PET (0.04)。这与以往研究指出的PE在蜈蚣草中占主导作用相符。蜈蚣草作为典型的砷超富集植物，其对重金属的吸收主要依赖于根特异性磷酸盐转运蛋白，其根系可分泌草酸，增加根际重金属的溶解度。本研究中观察到的PE的特异性促进作用，可能归因于其特定的物理化学性质或表面特性，这些特性可能与根际环境相互作用，并潜在上调蜈蚣草中铊相关转运蛋白的表达。

相反，龙葵对MPs表现出不同的响应模式。与CK组相比，PE处理抑制了龙葵对铊的富集，使其含量从0.311 mg kg^-1降至0.250 mg kg^-1。而PP、PVC和PET处理则表现出促进作用，使其铊含量分别增加0.034 mg kg^-1、0.131 mg kg^-1和0.086 mg kg^-1。龙葵的铊富集能力在不同MPs处理下的排序为：PVC (0.85) > PP (0.81) > PET (0.77) > PE (0.53)。这种聚合物依赖性的响应模式强调，在评估MPs在植物-重金属相互作用中的作用以及设计针对共污染土壤的有效植物修复策略时，必须考虑MPs的具体类型，而非将其视为一个整体。

3.3. MPs对土壤理化性质的影响

不同类型MPs对铊污染土壤pH值的影响存在差异。在种植蜈蚣草的土壤中，添加MPs导致pH值上升，PP、PE/PVC、PET分别使pH值升高6.41%、2.56%和3.85%。而在种植龙葵的土壤中，添加相同的MPs导致pH值下降，PP、PE/PVC、PET分别使pH值降低6.10%、4.88%和6.10%。这种差异可归因于两种植物根系分泌物的性质及其对土壤过程的不同影响。在蜈蚣草种植土壤中，MPs的添加可能通过促进微生物降解有机酸，消耗了土壤中的氢离子，从而使土壤pH趋向碱性。相反，在龙葵种植土壤中，相同的MPs引起的土壤酸化可能源于根系分泌的有机酸增加。因此，MPs对土壤pH的影响根本上取决于植物种类及其诱导的特定生化过程。

MPs的添加也改变了土壤中氮(N)和磷(P)的含量。在种植蜈蚣草的土壤中，氮含量在3.4至30.4 mg kg^-1之间，磷含量在23.0至34.6 mg kg^-1之间。种植龙葵的土壤氮含量在4.6至18.8 mg kg^-1，磷含量在23至36.8 mg kg^-1。除PP外，PE、PVC和PET均有助于提高土壤氮浓度。暴露于MPs可增强土壤反硝化作用，提高土壤孔隙度，促进氮的释放。而PP的掺入显著降低了土壤氮水平，表明PP可能干扰了土壤氮代谢。通常，MPs通过影响土壤离子交换和吸附来改变磷的有效性。在本研究中，大多数MPs处理导致土壤磷含量下降，这可能归因于MPs表面的负电荷特性。

3.4. 不同土壤类型的污染和潜在生态风险

评估显示，大凉子矿区土壤的铊污染达到了极高的水平，单因子污染指数(P_i= 7.99)远超“极高污染”阈值，其潜在生态风险指数(E_r= 79.87)处于“中度风险”水平，表明该土壤中的铊对土壤生物群和周围生态系统构成了不可忽视的威胁。与此形成鲜明对比的是，种植了两种修复植物后的土壤，其污染水平和生态风险均显著降低。种植蜈蚣草和龙葵的土壤，其P_i值分别降至2.06和1.77，进入“中度污染”等级；其对应的E_r值分别降至20.56和17.65，进入“低风险”等级。这初步显示了蜈蚣草和龙葵对无MPs污染土壤中铊污染的植物修复效果。当土壤中存在MPs时，所有处理组的铊E_r值与无MPs土壤相比均明显下降，生态风险被归类为低。特别是在种植蜈蚣草并添加PE的土壤中，P_i和E_r达到最低值，分别为0.767和7.67。这表明PE可有效增强蜈蚣草对铊的吸附和固定，从而进一步提高其在污染土壤中的修复效率。然而，在种植龙葵的土壤中，则是PP表现出最低的风险指数值。

4. 结论

本研究探讨了MPs与铊复合污染对超富集植物蜈蚣草和龙葵的生物累积能力及其修复铊污染土壤的潜力。经过蜈蚣草和龙葵处理后，土壤中铊的I_geo值分别降至0.454和0.235，对应的污染等级为无污染至中度污染。与种植前相比，两种植物均显著降低了土壤中铊的污染程度，表明蜈蚣草和龙葵具有较强的铊吸附和修复能力。聚乙烯对蜈蚣草和龙葵的铊积累表现出截然相反的影响。具体而言，PE促进蜈蚣草对铊的吸收和积累，而在相同条件下，它抑制龙葵对铊的富集。这种差异表明PE与植物之间的相互作用具有物种特异性，这可能与植物固有的重金属吸收机制、其调节根际微环境的能力以及对MPs的生理反应差异有关。MPs可改变土壤的pH值以及氮、磷含量。根据潜在生态风险指数评估，大凉子铅锌矿区铊污染已达到极高污染水平，生态风险处于中度风险水平，反映出该地区存在显著的铊污染问题，对当地生态安全构成一定威胁。在种植蜈蚣草并添加PE的土壤中，P_i和E_r均达到最低值，分别低至0.767和7.67。这表明PE可以有效增强蜈蚣草对铊的吸附和固定，从而进一步提高其在污染土壤中的修复效率。然而，在种植龙葵的土壤中，则是PP表现出最低值。这些发现为在MPs广泛存在的共污染场地优化植物修复策略提供了重要依据。

5. 环境意义

从环境影响和管理的角度来看，这一发现至关重要。它表明，在广泛存在MPs的共污染场地，传统的植物修复策略必须进行优化升级。未来的修复实践应首先识别土壤中主要的MPs类型，然后将其与表现出正向协同效应的超富集植物进行精准配对，从而最大限度地提高修复效率、缩短处理时间并降低二次环境风险。本研究也证实，大凉子矿区等典型区域正承受着严重的铊污染压力，这使得实施此类精准高效的修复工作变得尤为迫切。总之，将MPs纳入污染场地风险评估和修复技术选择的框架，是开发适用于现实世界复杂环境的新型绿色修复技术，并确保生态系统长期安全的科学前提。

6. 研究局限

本研究聚焦于蜈蚣草和龙葵在特定污染水平下对铊的吸附效能，并初步探讨了微塑料添加对这一过程的影响。然而，实验并未探究两种植物在不同浓度梯度和不同MPs条件下对铊的吸收能力极限。未来的工作可纳入更多不同浓度的实验组，以进一步探索铊与MPs复合污染的协同修复机制。