微塑料土壤毒理及环境效应

1.本书以微塑料对土壤的影响为主线，基于大量试验，系统地分析了微塑料对土壤生态效应的危害，包括对土壤物理性质、化学性质、酶活性、微生物群落、土壤动植物的影响，可为微塑料对土壤生态环境的影响研究提供理论依据。 2.本书评估了土壤微塑料与土壤中重金属和其他有机污染物的吸附和相互作用，阐明了微塑料的环境效应及其可能机理，可为微塑料污染背景下的土壤环境质量的优化管理提供可靠参考。 3.本书总结了微塑料对土壤温室气体排放影响的国内外研究进展，针对我国大规模采用的秸秆还田措施，设计试验研究了微塑料对土壤有机碳、土壤二氧化碳和氧化亚氮排放，以及对土壤有机质含量的影响，该成果对于农业活动碳减排具有很强的参考价值。 4.本书来源于作者原创性科研成果，具有较强的专业性和参考性，可供从事微塑料污染研究、土壤污染防治、农产品安全等领域的专业人员参考。

塑料的发明是材料领域的重要革新，随着塑料生产工艺的进步，其高经济性、高效能、高可替代性等优势更加明显。此外，塑料制品种类繁多，已成为日常生产生活不可或缺的重要部分。据统计，目前全球塑料累计产量达8.3×109t，然而只有约20%的塑料被回收利用，剩余约80％最终堆积在土壤、河流和海洋环境中。堆存在环境中的塑料垃圾在物理、化学或生物作用下分解成较小的碎片和颗粒，逐步形成粒径＜5mm的微塑料颗粒。微塑料因其疏水性强、颗粒小、比表面积大、化学性质稳定和携载其他环境污染物等特点，能够在环境中积累、迁移和扩散，微塑料污染已成为全世界共同面临的新型环境问题。土壤是地球上最宝贵的资源之一，为人类及其他生物提供一系列重要的生态系统功能和服务。人类活动的引入（如农用薄膜的使用、污水灌溉、土壤改良剂施用、乱扔垃圾等）和环境介质（如雨水径流、空气）的传输，使土壤成为微塑料最大的储藏库，可能是海洋的4～23倍。微塑料进入土壤后，对土壤养分循环和土壤健康产生影响，通过物理毒害、化学毒害和多重载体等作用影响环境中生物的正常代谢活动，污染生态系统和影响生态系统服务功能，并且对人类食品安全造成潜在威胁，从而对人体健康产生危害。
本书共8章，全书以微塑料为研究对象，总结了土壤微塑料的来源、特征、迁移规律和污染状况；分析了微塑料对土壤生态效应的危害，包括对土壤物理和化学性质、土壤酶活性和微生物群落、土壤动植物的影响，概述了微塑料对土壤物质循环的影响；评估了微塑料对其他污染物（重金属和有机污染物等）的吸附和相互作用，阐明了微塑料的环境效应及其可能机理，为微塑料对土壤生态环境的影响研究以及污染防治工作的开展提供理论依据。本书内容具有较强的针对性和原创性，可供从事微塑料污染研究、土壤污染及治理等的工程技术人员、科研人员及高等学校相关专业师生参考。
本书由余红和史聆聆等著，其中，余红负责全书的总体设计和统稿；第1章、第2章、第3章、第5章、第6章由余红著；第4章由张颖著；第7章由李萌著；第8章由史聆聆著。本书的出版获得了国家重点研发计划（2020YFC1909502）和长江驻点跟踪研究二期（2022-LHYJ-02-0509-05）资助。此外，本书在撰写过程中还参考了部分相关领域的文献，引用了国内外许多专家和学者的成果和图表资料，谨此向有关作者致以谢忱。
限于学术水平及撰写时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请专家、学者及广大读者批评指正。

著者
2023年3月

余红，工学博士，中国环境科学研究院高工，毕业于北京师范大学，主要从事环境规划管理、环境风险评估和土壤环境化学，作为项目负责人主持了“微塑料土壤毒理效应及环境风险”等30余项项目，负责开展长江经济带绵阳市驻点跟踪研究工作和嘉陵江片区驻点研究工作，支撑地方开展水环境、土壤环境、农村环境治理及固体废物处理处置等多方面的环境调查评估治理及改善工作；在Environment International、Journal of Hazardous Materials、Environmental Pollution、Science of the Total Environment等期刊发表论文20余篇，申请国家专利10余项，出版专著2部，获得2016年中国专利优秀奖和2015年全国优秀工程咨询奖。

本书以微塑料为研究对象，总结了土壤微塑料的来源、特征、迁移规律和污染状况；分析了微塑料对土壤生态效应的危害，包括对土壤物理和化学性质、土壤酶活性和微生物群落、土壤动植物的影响，概述了微塑料对土壤物质循环的影响；评估了微塑料对其他污染物（重金属和有机污染物等）的吸附和相互作用，阐明了土壤微塑料的毒理和环境效应及其可能机理，为微塑料对土壤生态环境影响的研究以及污染防治工作的开展提供理论依据。
本书具有较强的针对性和原创性，可供从事微塑料污染研究、土壤污染及管控等的科研人员、工程技术人员及管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程、农业工程、材料工程及相关专业师生参阅。

第1章　土壤微塑料的定义、来源及迁移　001
1.1　微塑料的定义及性质 001
1.2　土壤微塑料的来源 002
1.2.1　土壤改良剂施用 003
1.2.2　塑料覆盖 004
1.2.3　灌溉 004
1.2.4　其他来源 005
1.3　土壤微塑料的分布 005
1.4　土壤微塑料的迁移 009
1.4.1　生物条件下的微塑料迁移 009
1.4.2　非生物条件下的微塑料迁移 010
1.5　土壤微塑料的老化降解 011
1.5.1　光和热引发的氧化降解 011
1.5.2　与土壤胶体的异质聚集 012
1.5.3　生物降解 012
1.6　微塑料中的添加剂 013
1.7　塑料污染防控策略 016
1.7.1　设计与生产 016
1.7.2　销售与使用 019
1.7.3　塑料垃圾回收利用与处置 020
参考文献 021

第2章　微塑料对土壤理化性质的影响　028
2.1　微塑料对土壤物理性质的影响 028
2.1.1　土壤结构 028
2.1.2　土壤孔隙度 029
2.1.3　土壤容重 030
2.1.4　土壤水分 030
2.2　微塑料对土壤化学性质的影响 038
2.2.1　土壤pH 值 038
2.2.2　土壤有机质 040
2.2.3　土壤营养物质 041
2.3　微塑料对土壤不同团聚体组分物化性质的影响 043
2.3.1　试验设计 043
2.3.2　微塑料对土壤营养成分的影响 046
2.3.3　微塑料对土壤pH 值和阳离子交换量的影响 050
2.4　不同微塑料对土壤溶解性有机质的影响 051
2.4.1　试验设计 051
2.4.2　微塑料对土壤DOC的影响 055
2.4.3　微塑料对土壤DOM 紫外-可见光谱特征的影响 056
2.4.4　微塑料对土壤DOM 荧光光谱特征的影响 057
2.4.5　微塑料对土壤DOM 分子特征的影响 061
2.4.6　微塑料诱导的土壤性质变化对DOM 化学多样性的影响 064
参考文献 068

第3章　微塑料对土壤酶活性的影响　075
3.1　微塑料对土壤酶活性的影响研究进展 075
3.2　微塑料及土壤化学因子对不同土壤团聚体酶活性的影响 076
3.2.1　试验设计 076
3.2.2　微塑料对不同土壤团聚体组分中酶活性的影响 078
3.2.3　土壤化学因子对酶活性的影响 080
3.2.4　土壤化学因子对酶活性的影响途径 081
3.3　不同类型微塑料对土壤酶活性的影响 086
3.3.1　试验设计 086
3.3.2　土壤酶活性对不同类型微塑料的响应 086
参考文献 088

第4章　微塑料对土壤微生物的影响　091
4.1　微塑料对土壤微生物的影响研究进展 091
4.2　微塑料对土壤不同团聚体微生物的影响 097
4.2.1　试验设计 097
4.2.2　微塑料对土壤微生物多样性的影响 098
4.2.3　微塑料对土壤微生物群落组成的影响 100
4.2.4　微塑料诱导的土壤化学因子变化对微生物群落的影响 106
4.2.5　微塑料对微生物功能的影响 109
4.2.6　微塑料对土壤碳、氮和磷循环相关功能基因的影响 109
4.3　不同类型微塑料对土壤微生物的影响 113
4.3.1　试验设计 113
4.3.2　不同微塑料对微生物多样性的影响 113
4.3.3　微塑料对微生物组成和结构的影响 116
4.3.4　微塑料对微生物潜在功能的影响 119
4.3.5　土壤细菌和真菌对微塑料的异质性响应 122
4.4　微塑料对不同土层微生物多样性和群落影响的“邻避效应” 124
4.4.1　试验设计 124
4.4.2　微塑料对微生物多样性的影响 125
4.4.3　微塑料对微生物群落组成的影响 127
4.4.4　微塑料对微生物群落结构的影响 130
4.4.5　微塑料对微生物功能的影响 130
参考文献 132

第5章　微塑料对土壤共存污染物的影响　137
5.1　微塑料对土壤共存污染物的影响研究进展 137
5.1.1　微塑料对土壤重金属的影响 138
5.1.2　微塑料对土壤有机污染物的影响 142
5.2　微塑料对土壤不同团聚体组分中重金属的影响 144
5.2.1　试验设计 144
5.2.2　不同重金属化学形态对土壤微塑料的响应 145
5.2.3　不同土壤团聚体组分中重金属化学形态对微塑料的响应 148
5.2.4　微塑料诱导的土壤因子变化对重金属化学形态的影响 148
5.2.5　微塑料诱导的土壤因子变化对重金属化学形态影响路径分析 151
参考文献 156

第6章　微塑料对土壤温室气体排放的影响　161
6.1　微塑料对土壤温室气体排放的影响研究进展 161
6.2　秸秆还田背景下微塑料对土壤温室气体排放的影响 162
6.2.1　试验设计 162
6.2.2　秸秆还田背景下微塑料对土壤有机碳及组分的影响 164
6.2.3　秸秆还田背景下微塑料对土壤CO2排放的影响 167
6.2.4　秸秆还田背景下微塑料对土壤N2O排放的影响 169
6.2.5　微塑料对不同土壤中SOC分布及CO2和N2O排放的差异影响 170
6.2.6　环境意义 172
参考文献 173

第7章　微塑料对植物的影响　176
7.1　微塑料对植物的影响机制 176
7.2　微塑料对植物种子发芽和根系发育的影响 180
7.3　微塑料对植物生长和组织发育的影响 181
7.4　微塑料对植物光合作用的影响 182
7.5　微塑料对植物群落结构的影响 183
7.6　微塑料诱导的植物氧化应激 184
7.7　微塑料对植物代谢过程的影响 186
7.8　微塑料对植物遗传毒性的影响 187
参考文献 187

第8章　微塑料对土壤动物和人类的影响　192
8.1　微塑料对土壤动物和人类的影响研究进展 192
8.1.1　微塑料对小型土壤动物的影响 192
8.1.2　微塑料对大型陆生动物和人类的影响 200
8.2　传统和生物可降解微塑料暴露对蚯蚓的影响 201
8.2.1　试验设计 201
8.2.2　微塑料对蚯蚓的神经毒性 204
8.2.3　微塑料对蚯蚓解毒酶的影响 205
8.2.4　微塑料诱导的蚯蚓氧化应激 207
8.2.5　微塑料诱导的蚯蚓氧化应激的综合评估 211
8.2.6　微塑料对蚯蚓肠道微生物群落的影响 213
8.2.7　微塑料对蚯蚓肠道微生物功能的影响 218
参考文献 221

附录　专业缩写词　227