综述：对纳米颗粒和生物炭在土壤中微塑料修复中的应用进行批判性评估

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：A critical evaluation of nanoparticles and biochar in microplastics remediation in soil

微塑料污染土壤及植物，传统方法效率低。纳米材料（金属氧化物、磁性等）和生物炭通过吸附、催化降解及协同作用有效去除微塑料，改善土壤健康，但实验室成果规模化应用不足，需开发低成本、可降解、环境友好的技术。

　　

普里亚达尔斯哈尼·拉杰普特（Priyadarshani Rajput）| 斯瓦尔内德拉·班纳吉（Swarnendra Banerjee）| 维基·阿南德（Vicky Anand）| 维什努·D·拉杰普特（Vishnu D. Rajput）| 萨格拉拉·曼德吉耶娃（Saglara Mandzhieva）| 潘卡杰·库马尔·斯里瓦斯塔瓦（Pankaj Kumar Srivastava）| 塔蒂亚娜·明金娜（Tatiana Minkina）

俄罗斯罗斯托夫-顿河畔南部联邦大学（Southern Federal University）生物与医学学院，邮编344006

摘要

微塑料（MPs）在浓度约为88毫克/千克时可能影响土壤的物理化学性质和生物指标（约1000毫克/千克），并降低植物生产力（例如：在Vicia faba中，50毫克/升的聚苯乙烯浓度）。微塑料还可能作为有毒污染物的载体。传统的修复方法，包括机械清除和微生物降解，由于效率低下和处理时间较长而受到限制。纳米技术和碳基材料（如生物炭BCs）的新发展，为微塑料的修复提供了环保且经济有效的解决方案。包括金属氧化物、碳基材料、磁性材料以及纳米酶在内的纳米颗粒（NPs），通过吸附、光催化、催化反应和定向修复等机制展现出卓越的修复潜力。同样，生物炭及其改性衍生物（如磁性生物炭）具有高吸附能力、多孔性、表面功能化和化学稳定性，有助于固定、捕获和修复微塑料，同时改善土壤健康。本综述总结了利用NPs和BCs修复微塑料的现有方法，强调了其作用机制和复合材料的效率。文章还探讨了现有的知识空白、毒性问题以及未来发展方向，特别关注开发可持续、可生物降解且针对具体环境的修复技术。总之，本综述探讨了新兴材料在解决微塑料污染方面的有效性，并为调整NPs-BCs组合材料的性能提供了可能性。

引言

1950年至2015年间，全球塑料产量急剧上升，超过60亿吨，其中近49亿吨被填埋或释放到环境中（Geyer等人，2017年）。据预测，到2050年，塑料废弃物量将累积至超过1200亿吨（Borrelle等人，2017年）。微塑料（MPs，指尺寸小于5毫米的塑料碎片）是普遍存在的环境污染物。由于其微小尺寸，微塑料容易在人体内积累并引发健康风险，尤其是神经系统和代谢紊乱（Rahman等人，2021年；Sharma等人，2024年；Gupta等人，2025年）。微塑料存在于食品和饮料中（如海鲜、盐、啤酒和饮用水，Smith等人，2018年；Zhang等人，2020年），以及人体生物样本中（如粪便、组织和器官，Schwabl等人，2019年；Carbery等人，2018年），这突显了它们对人类健康的直接影响。

因此，需要迅速采取干预措施来减轻其广泛积累。减少微塑料污染的策略包括禁止使用一次性塑料、推广可生物降解的替代品以及实施可持续的废物管理系统（Adam等人，2020年）。传统方法包括物理、热处理和微生物降解，但这些方法在从土壤等不同来源清除微塑料方面效果有限（Srivastava等人，2025年），因为它们成本高昂、处理时间较长、降解速度慢、会产生更多有毒物质，并对环境造成威胁。鉴于这些事实，新的方法（如经过改良或与生物合成纳米颗粒（NPs）和富碳材料（生物炭BCs）结合的方法）更具成本效益和环境适应性。

研究表明，生物源纳米颗粒（NPs）能有效降解低密度和高密度聚乙烯（PE），降解率分别为64.5%和44.4%（Jayaprakash和Palempalli，2019年）。此外，纳米级生物炭（nBC）的修复能力也令人鼓舞（Abbas等人，2025年）。超顺磁性FeO NPs（SPIO NPs）、纳米钛酸盐、SiO₂和其他金属氧化物纳米颗粒也能显著促进微生物生长，并降解低密度和高密度PE（Chandran等人，2023年）。使用AL-NB（洋蓟叶纳米生物炭）和PAB-NB（菠萝皮纳米生物炭）在pH 2.0的水系统中去除聚苯乙烯微塑料（PS-MPs，粒径≥1.0微米），去除率分别为94.4%和98.7%（Mahmoud等人，2024年）。因此，纳米技术成为解决微塑料污染的有希望的方向，因为NPs独特的物理化学特性有助于有效吸附和催化降解污染物，降低活化能并提高修复效果（Rizwan等人，2014年；Gong等人，2018年）。在所有这些新方法中，生物炭因其低成本、环保性和高效的微塑料吸附能力而被选中。

生物炭是一种可渗透的吸附剂，可通过化学键合和物理捕获作用有效吸附和固定微塑料（Ji等人，2025年），在土壤中显示出消除微塑料影响的巨大潜力。向受微塑料污染的土壤中添加生物炭可增强土壤结构完整性和团聚性，尤其是当生物炭含有丰富的氧化官能团和与土壤有机物及矿物质相互作用的阳离子物种时（Clark等人，2019年；Ji等人，2022年）。生物炭的应用还能改善土壤微生物结构、提高土壤凝聚力以及根系和微生物分泌的代谢物（Born?等人，2022年）。当PS-MPs抑制根系生长并减少根际微生物多样性时，生物炭补充剂能有效恢复微生物丰富度和功能（Yang等人，2024a），增加有益根际细菌（如Bacillus、Pseudomonas和Rhizobium）的比例（Wu等人，2025年）。

同样，在受聚氯乙烯（PVC）微塑料污染的土壤中，添加生物炭可恢复和平衡微生物种群（Khalid等人，2023年）。多项研究强调了来自不同原料的生物炭的强吸附能力。木屑生物炭几乎完全去除了PVC（Hsieh等人，2022年），而稻草和松木生物炭的去除效率分别为99.6%和98.81%（Wang等人，2021c）。棉秆生物炭还通过促进微生物活动和养分循环、增加作物生物量来降低微塑料的毒性（Khalid等人，2023年）。改性生物炭（如磁性生物炭、矿物氧化生物炭和nBCs）在去除污染物方面表现出更高的效率（Singh等人，2021年；Srivastava等人，2024年）。水培实验表明，0.1克/升的PVC-MPs会显著降低生菜的产量和质量（等人，2023b）。此外，添加适量（2克/升）的玉米芯生物炭（CCBC）对减轻PVC-MPs对生菜生物量的负面影响非常重要（Li等人，2023b）。这些结果支持使用未经改性和改性的生物炭作为去除微塑料的有效方法。然而，关于生物炭在微塑料修复中的全面评估仍不足，这为未来的研究指明了方向。

本综述旨在整理有关土壤中微塑料污染的现有知识，并探讨NPs和生物炭基修复技术的应用前景。它试图批判性地评估这些技术的机制、效果和协同作用，同时识别局限性、毒性和知识空白，并为未来开发可持续、绿色和针对具体环境的修复技术提供建议。

2018至2026年微塑料修复研究趋势的文献计量分析

通过对Scopus数据库进行系统文献计量分析，使用关键词“microplastic”或“micro-plastic”或“nano plastic”或“nano-plastic”以及“soil”或“terrestrial”和“degradation”或“remediation”或“breakdown”或“nanoparticle”或“biochar”或“nano-biochar”等关键词，评估了2018至2026年微塑料降解的研究趋势。

微塑料的排放及其风险

微塑料在土壤生态系统中具有高度持久性，且生物降解潜力有限，因其普遍存在及其对生态系统的威胁而受到全球关注（Fan等人，2022年；Yadav等人，2022年）。微塑料主要分为两类：初级微塑料和次级微塑料。初级微塑料是人为制造的微观尺寸颗粒，例如化妆品中的微珠、工业过程中的细颗粒以及纺织工业中的合成纤维。

微塑料的修复

微塑料的修复主要涉及两种方法：基于物理、化学和生物的方法（Pico等人，2019年）。最近的实验室创新也提高了分离效率。化学方法利用混凝剂（特别是铁盐和铝盐）通过与微塑料的配体交换和络合作用使其聚集，从而便于去除（Chorghe等人）。

现有知识空白、未来展望和潜在方向

尽管在利用生物炭和纳米颗粒（NPs）修复微塑料方面取得了显著进展，但仍存在显著的知识空白，尤其是在将实验室结果应用于实际场景方面的可行性。主要限制在于大多数研究仅限于受控实验室环境，难以复制复杂的现场条件。土壤异质性、气候变化和共污染物对修复过程效果的影响仍需进一步研究。

结论

微塑料污染通过阻碍光合作用和抑制抗氧化酶活性对植物生理造成严重威胁，降低作物产量并通过食物链影响人类健康。本研究表明传统修复方法的局限性，并强调了纳米技术和生物炭修复技术可能带来的革命性变革。

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  纳米颗粒（NPs）在微塑料修复中表现出巨大效果，包括对金属的修复

未引用的参考文献

Chen等人，2023年；Cheng等人，2021年；Coyle等人，2020年；Soler等人，2013年；Sun等人，2022b年；Surette等人，2023年。

CRediT作者贡献声明

普里亚达尔斯哈尼·拉杰普特（Priyadarshani Rajput）：撰写初稿、验证、方法学设计、实验研究。斯瓦尔内德拉·班纳吉（Swarnendra Banerjee）：撰写初稿、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。维基·阿南德（Vicky Anand）：撰写初稿、软件开发、方法学设计、数据分析。维什努·D·拉杰普特（Vishnu D. Rajput）：审稿与编辑、监督、概念设计。萨格拉拉·曼德吉耶娃（Saglara Mandzhieva）：审稿与编辑。潘卡杰·库马尔·斯里瓦斯塔瓦（Pankaj Kumar Srivastava）：审稿与编辑。塔蒂亚娜·明金娜（Tatiana Minkina）：审稿

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号：21-77-20089）和南部联邦大学战略学术领导计划（“Priority 2030”）的财政支持。

临床试验编号：不适用。

伦理和参与同意声明：不适用。

出版同意声明：不适用。

知情同意声明：不适用