针对应用于土地的污泥中微塑料的定量环境风险评估

《Environmental Science & Technology》：A Quantitative Environmental Risk Assessment for Microplastics in Sewage Sludge Applied to Land

　　本研究通过整合环境暴露数据和物种敏感性分布，结合二维蒙特卡洛模拟，评估了污泥中微塑料对土壤生物的慢性风险。结果显示，最坏情况影响39%物种，现实情况15-18%，表明当前污泥应用未能保护95%土壤生物，建议制定微塑料监管标准。

　　全球每年产生的数亿吨污水污泥是污水处理厂（WWTP）在水净化过程中的副产品，例如厌氧消化或石灰稳定。这些经过处理的污泥是一种富含有机质的固体泥状物质，常被用作肥料施用于农业用地。这种做法支持可持续发展的理念，但各国对此的限制和规定有所不同。例如，在英国，使用前必须对污泥样本进行分析，以确保其金属浓度符合安全标准。同时，污泥的营养管理矩阵规定了可施用于土地的污泥量及频率，依据氮和磷的含量来决定。在某些情况下，特定作物的种植模式也必须被考虑，比如某些类型的轮作。然而，目前尚无任何法规限制基于污泥中微塑料（MPs）含量的污泥应用。

土壤是维持陆地生态系统及其服务的关键，包括有机物的分解、营养和碳的循环、土壤结构的维持、气体交换以及食品生产。因此，确保将污泥施用于土地的安全性，并长期保持土壤健康，至关重要。然而，这需要同时考虑到土壤中的有益营养和有害微污染物。微塑料对土壤生态系统构成威胁，其影响不仅限于生物部分，还可能涉及非生物因素。例如，它们可能改变土壤的物理和化学特性，如土壤结构和密度、水分保持、导电性以及营养循环。此外，微塑料可能对土壤生物产生生态毒理学影响，并改变酶活性和应激物种。即使是执行关键生态功能的陆地物种也可能因微塑料产生轻微或不良影响，从而影响土壤生态系统，包括土壤中的无脊椎动物、真菌、细菌和植物。因此，这些生态系统健康和良好功能可能受到影响，甚至导致生态上的意外变化。

进行微塑料风险评估（RA）面临诸多挑战，包括数据的多样性和复杂性。不同因素可能影响数据和统计方法的选择，如微塑料的迁移、生物或生态影响、以及在不同栖息地中的行为和分布。同时，效应阈值与环境浓度的比较和计算方式也存在差异。例如，一些专家构建了物种敏感性分布（SSD）并叠加了环境暴露分布（EED）以进行直接风险评估，而另一些专家则使用从SSD中提取的预测无效应浓度（PNEC）来构建风险比分布。目前，存在多种模型和计算机程序用于构建SSD，其中一些仅考虑急性效应，另一些则仅考虑慢性效应，还有些结合不同时间暴露。一些研究使用了SSD中的评估因子，以考虑时间暴露的修正，而另一些则未使用。SSD可以针对不同大小和聚合物的微塑料进行构建，其他专家则使用重标方法来处理多分散性并标准化微塑料的大小范围。

本研究的创新点在于比较了污泥在土壤中应用后的不同场景。一个最坏情况假设是野生动物暴露于100%的初始污泥微塑料浓度。而一个更现实的场景则考虑了随着时间推移，污泥浓度因天气、土壤类型、生物活动、耕作等自然因素而发生稀释。为了评估这一稀释过程，我们将污泥微塑料浓度的50百分位数除以SAS微塑料浓度的50百分位数，得出一个稀释因子为17，即污泥微塑料浓度大约稀释为初始浓度的6%。因此，为了更准确地评估风险，我们计算了稀释后的污泥微塑料浓度。

在风险表征方面，我们采用二维蒙特卡洛（MC2D）模拟方法，以更全面地评估污泥和SAS中的微塑料风险。SSD和EED在数据收集和统计分析中都存在不确定性，MC2D模拟方法考虑了这些不确定性。虽然MC2D模拟方法在食品安全和人类毒理学领域已有应用，但在塑料生态毒理学领域尚未见使用，特别是在土壤中的应用，通常使用更近似的方法。MC2D模拟方法显著提升了风险表征的技术质量，并填补了这一方法上的空白，为未来的定量评估提供了可能。

本研究的主要目标是填补关于污泥施用于土地对土壤生物造成的微塑料风险的知识空白。我们不仅评估了SAS，还首次对直接施用的污泥样本进行了定量分析。此外，我们还比较了不同的场景，以更深入地理解涉及的风险。为了确保高清晰度和技术质量，我们采用了最新的统计方法，并提供了可复现的脚本以及潜在的未来研究指导工具。

在研究方法部分，我们采用了SSD和EED来表征微塑料对土壤生物的毒性影响和环境暴露情况。SSD是通过提取和整理不同研究中关于微塑料对多种物种的毒性终点数据，如最高观察无效应浓度（HONEC）、无观察效应浓度（NOEC）和最低观察效应浓度（LOEC）来构建的。这些终点包括严重（如死亡、繁殖、生长）和非严重（如酶活性、能量水平）的终点。我们将其标准化为统一的度量标准，称为NOEC等效值，以确保风险评估的一致性。NOEC等效值被定义为不会对非严重终点产生显著影响的微塑料浓度，这种影响在长期（>41天）中持续。这些保守值被用于构建SSD，以表征微塑料在土壤中的危害。

在数据选择和处理过程中，我们收集了关于微塑料浓度在污泥和SAS中的数据。我们采用了不同的统计模型来拟合这些数据，并计算了百分位数及其95%置信区间。为了确保数据的可靠性，我们还考虑了多个研究和数据标准化方法，如通过统计模型来修正微塑料的多分散性或生物可及性。我们排除了一些不适用的急性研究，只基于慢性（≥42天）的NOEC等效值数据构建SSD，同时应用了三种不确定性因子，以考虑时间暴露、描述精度和效应范围以及终点类别。

在风险表征方面，我们通过曲线重叠和MC2D模拟方法来评估微塑料对土壤生物的影响。曲线重叠方法显示，污泥中的微塑料浓度与土壤生物的敏感性阈值存在显著重叠，表明环境浓度可能影响高比例的物种。MC2D模拟方法则通过模拟不同稀释场景下的微塑料浓度变化，更全面地评估了其对土壤生物的潜在影响。这些模拟考虑了SSD和EED的变异性和不确定性，并通过1001次模拟迭代来计算受影响物种的比例及其不确定性。

本研究的局限性在于，由于研究设计的多样性，毒性数据的提取存在一定的挑战。此外，不同统计方法和NOEC标准的使用也导致了数据的不一致性。我们建议未来研究应更加关注微塑料在污泥中的行为，以及在不同土壤类型和污泥处理方式下的影响。同时，应考虑更多复杂的交互因素，如微塑料与其他污染物（如重金属、药物、有机污染物）的协同或拮抗效应。这些因素将有助于提高风险评估的准确性，并更好地理解微塑料对土壤生态系统的影响。

总体而言，本研究为理解和量化微塑料在污泥施用于土地过程中的风险提供了初步的定量风险评估。通过比较不同场景和分析污泥样本，我们希望为土壤管理相关方提供指导，确保环境安全。研究结果表明，当前污泥施用于土地的做法可能对土壤生物造成不可接受的风险，特别是当考虑到微塑料浓度超过安全阈值时。因此，我们建议对高度微塑料污染的污泥样本采取替代处置方式，而对污染较低的污泥样本则可以继续施用于土地，因为其高营养含量可能仍具有农业价值。通过更精准和灵活的管理方法，可以将土壤中的微塑料水平控制在可接受范围内，从而有助于土壤生态系统的保护。

保护生态系统健康对环境和人类社会至关重要，因为人类与所依赖的生态系统密切相关。确保土壤生物的安全性尤其重要，因为这支持健康作物的生产。某些作物可能被牲畜食用，从而间接影响人类的食品来源，或者在某些情况下和处理方式下，直接被人类食用。因此，推动健康的土壤生态系统是促进社会健康的重要方式。