Fate and effects of MPs/NPs in agricultural soils

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.04.010

Abstract

Abstract:

The gradual accumulation of the microplastics （MPs， <5 mm） and nanoplastics （NPs， <1 μm） produced by crushing， weathering， and aging of plastic products in the soil as well as their difficult degradation characteristics have received widespread attention. Although the interactions between the MPs/NPs and plants in plant⁃soil relationships have been reported， there are fewer review papers regarding the emerging knowledge in this area. This hinders the sustained progress in this emerging field. This paper summarized the sources of MPs/NPs in agriculture， hazards， effects on soil properties and plant growth， and research techniques to complement them， and also describes the possible mechanisms about the phytotoxicity of MPs/NPs.

Key words: analytical techniques, agriculture, microplastic, nanoplastic

CLC Number:

TQ320.73

YANG Fan, HOU Mengzong, SONG Lisha, HU Run, MA Yuhao, LIU Qiang, ZHANG Hong. Fate and effects of MPs/NPs in agricultural soils[J]. China Plastics, 2025, 39(4): 52-58.

Figures/Tables 4

References 62

1	Junhao C， Ning Z， Aodong G， et al. Extraction and identification methods of microplastics and nanoplastics in agricultural soil： a review［J］. Journal of Environmental Management， 2021， 294： 112997.
2	Sharma S， Basu S， Shetti N P， et al. Microplastics in the environment： occurrence， perils， and eradication［J］. Chemical Engineering Journal， 2021， 408： 127317..
3	Qiu Y， Zhou S， Zhang C， et al. Identification of potentially contaminated areas of soil microplastic based on machine learning： A case study in Taihu Lake region， China［J］. Science of The Total Environment， 2023， 877： 162891.
4	Rillig M C. Microplastic in terrestrial ecosystems and the soil？［J］. 2012，46（12）：6 453⁃6 454.
5	Mahon A M， O’Connell B， Healy M G， et al. Microplastics in sewage sludge： effects of treatment［J］. Environmental Science & Technology， 2017， 51（2）： 810⁃818.
6	Mao Y， Ai H， Chen Y， et al. Phytoplankton response to polystyrene microplastics： perspective from an entire growth period［J］. Chemosphere， 2018， 208： 59⁃68.
7	Alimi O S， Farner Budarz J， Hernandez L M， et al. Microplastics and nanoplastics in aquatic environments： aggregation， deposition， and enhanced contaminant transport［J］. Environmental Science & Technology， 2018， 52（4）： 1 704⁃1 724.
8	Sharma V K， Ma X， Guo B， et al. Environmental factors⁃mediated behavior of microplastics and nanoplastics in water： a review［J］. Chemosphere， 2021， 271： 129597.
9	Jambeck J R， Geyer R， Wilcox C， et al. Plastic waste inputs from land into the ocean［J］. Science， 2015， 347（6223）： 768⁃771.
10	Bradney L， Wijesekara H， Palansooriya K N， et al. Particulate plastics as a vector for toxic trace⁃element uptake by aquatic and terrestrial organisms and human health risk［J］. Environment International， 2019， 131： 104937.
11	Nizzetto L， Futter M， Langaas S. Are agricultural soils dumps for microplastics of urban origin？［J］. Environmental Science & Technology Es & T， 2016，50（20）：10 777⁃10 779.
12	Conti G O， Ferrante M， Banni M， et al. Micro⁃and nano⁃plastics in edible fruit and vegetables. The first diet risks assessment for the general population［J］. Environmental Research， 2020， 187： 109677.
13	Babar I， Tingting Z， Weiqing Y， et al. Impacts of soil microplastics on crops：a review［J］， Applied Soil Ecology， 2023， 181： 104 680.
14	Group C W.Assessment of agricultural plastics and their sustainability： A call for action［J］.Chemical Weekly， 2022（38）：67.
15	Sharma V K， Ma X， Lichtfouse E， et al. Nanoplastics are potentially more dangerous than microplastics［J］. Environmental Chemistry Letters， 2023， 21（4）： 1 933⁃1 936.
16	Naqash N， Prakash S， Kapoor D， et al. Interaction of freshwater microplastics with biota and heavy metals： a review［J］. Environmental Chemistry Letters， 2020， 18（6）： 1 813⁃1 824.
17	Auta H S， Emenike C U， Fauziah S H. Distribution and importance of microplastics in the marine environment： a review of the sources， fate， effects， and potential solutions［J］. Environment international， 2017， 102： 165⁃176.
18	Zhang J， Gao D， Li Q， et al. Biodegradation of polyethylene microplastic particles by the fungus aspergillus flavus from the guts of wax moth Galleria mellonella［J］. Science of the Total Environment， 2020， 704： 135931.
19	Ren S Y， Kong S F， Ni H G. Contribution of mulch film to microplastics in agricultural soil and surface water in China［J］. Environmental Pollution， 2021， 291： 118227.
20	Ohtake Y， Kobayashi T， Asabe H， et al. Studies on biodegradation of LDPE⁃observation of LDPE films scattered in agricultural fields or in garden soil［J］. Polymer degradation and stability， 1998， 60（1）： 79⁃84.
21	Duis K， Coors A. Microplastics in the aquatic and terrestrial environment： sources （with a specific focus on personal care products）， fate and effects［J］. Environmental Sciences Europe， 2016， 28（1）： 2.
22	Bayo J， Olmos S， López⁃Castellanos J. Microplastics in an urban wastewater treatment plant： The influence of physicochemical parameters and environmental factors［J］. Chemosphere， 2020， 238： 124593.
23	Qi R， Jones D L， Li Z， et al. Behavior of microplastics and plastic film residues in the soil environment： a critical review［J］. Science of the Total Environment， 2020， 703： 134722.
24	Cheng H， Hu Y， Reinhard M. Environmental and health impacts of artificial turf： a review［J］. Environmental science & technology， 2014， 48（4）： 2 114⁃2 129.
25	Accinelli C， Abbas H K， Shier W T， et al. Degradation of microplastic seed film⁃coating fragments in soil［J］. Chemosphere， 2019， 226： 645⁃650.
26	Accinelli C， Abbas H K， Shier W T. A bioplastic⁃based seed coating improves seedling growth and reduces production of coated seed dust［J］. Journal of Crop Improvement， 2018， 32（3）： 318⁃330.
27	Accinelli C， Abbas H K， Shier W T， et al. Degradation of microplastic seed film⁃coating fragments in soil［J］. Chemosphere， 2019， 226： 645⁃650.
28	Kole P J， Löhr A J， Van Belleghem F G A J， et al. Wear and tear of tyres： a stealthy source of microplastics in the environment［J］. International journal of environmental research and public health， 2017， 14（10）： 1 265.
29	Essel R， Engel L， Carus M， et al. Sources of microplastics relevant to marine protection in Germany［J］. Texte， 2015， 64： 1 219⁃1 226.
30	Sorasan C， Edo C， González⁃Pleiter M， et al. Ageing and fragmentation of marine microplastics［J］. Science of The Total Environment， 2022， 827： 154438.
31	Alimi O S， Farner Budarz J， Hernandez L M， et al. Microplastics and nanoplastics in aquatic environments： aggregation， deposition， and enhanced contaminant transport［J］. Environmental Science & Technology， 2018， 52（4）： 1 704⁃1 724.
32	Sait S T L， Sørensen L， Kubowicz S， et al. Microplastic fibres from synthetic textiles： Environmental degradation and additive chemical content［J］. Environmental Pollution， 2021， 268： 115745.
33	Boudarel H， Mathias J D， Blaysat B， et al. Towards standardized mechanical characterization of microbial biofilms： analysis and critical review［J］. npj Biofilms and Microbiomes， 2018， 4（1）： 17.
34	Lozano Y M， Lehnert T， Linck L T， et al. Microplastic shape， polymer type， and concentration affect soil properties and plant biomass［J］. Frontiers in Plant Science， 2021， 12： 616645.
35	Gharahi N， Zamani⁃Ahmadmahmoodi R. Effect of plastic pollution in soil properties and growth of grass species in semi⁃arid regions： a laboratory experiment［J］. Environmental Science and Pollution Research， 2022， 29（39）： 59 118⁃59 126.
36	Rillig M C， Lehmann A. Microplastic in terrestrial ecosystems［J］. Science， 2020， 368（6498）： 1 430⁃1 431.
37	Liu H， Yang X， Liu G， et al. Response of soil dissolved organic matter to microplastic addition in Chinese loess soil［J］. Chemosphere， 2017， 185： 907⁃917.
38	Pignattelli S， Broccoli A， Renzi M. Physiological responses of garden cress （L. sativum） to different types of microplastics［J］. Science of the Total Environment， 2020， 727： 138609.
39	Boots B， Russell C W， Green D S. Effects of microplastics in soil ecosystems： above and below ground［J］. Environmental science & technology， 2019， 53（19）： 11 496⁃11 506.
40	Wang F， Wang X， Song N. Polyethylene microplastics increase cadmium uptake in lettuce （Lactuca sativa L.） by altering the soil microenvironment［J］. Science of the Total Environment， 2021， 784： 147133.
41	Bosker T， Bouwman L J， Brun N R， et al. Microplastics accumulate on pores in seed capsule and delay germination and root growth of the terrestrial vascular plant Lepidium sativum［J］. Chemosphere， 2019， 226： 774⁃781.
42	Li Z， Li R， Li Q， et al. Physiological response of cucumber （Cucumis sativus L.） leaves to polystyrene nanoplastics pollution［J］. Chemosphere， 2020， 255： 127041.
43	Sun X D， Yuan X Z， Jia Y， et al. Differentially charged nanoplastics demonstrate distinct accumulation in Arabidopsis thaliana［J］. Nature nanotechnology， 2020， 15（9）： 755⁃760.
44	Carpita N， Sabularse D， Montezinos D， et al. Determination of the pore size of cell walls of living plant cells［J］. Science， 1979， 205（4411）： 1 144⁃1 147.
45	Bandmann V， Müller J D， Köhler T， et al. Uptake of fluorescent nano beads into BY2⁃cells involves clathrin⁃dependent and clathrin⁃independent endocytosis［J］. FEBS letters， 2012， 586（20）： 3 626⁃3 632.
46	Giorgetti L， Spanò C， Muccifora S， et al. Exploring the interaction between polystyrene nanoplastics and Allium cepa during germination： Internalization in root cells， induction of toxicity and oxidative stress［J］. Plant Physiology and Biochemistry， 2020， 149： 170⁃177.
47	Dong Y， Gao M， Qiu W， et al. Uptake of microplastics by carrots in presence of As （III）： Combined toxic effects［J］. Journal of Hazardous Materials， 2021， 411： 125055.
48	Jiang X， Chen H， Liao Y， et al. Ecotoxicity and genotoxicity of polystyrene microplastics on higher plant Vicia faba［J］. Environmental Pollution， 2019， 250： 831⁃838.
49	Liu Q， Chen Z， Chen Y， et al. Microplastics and nanoplastics： emerging contaminants in food［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2021， 69（36）： 10 450⁃10 468.
50	Hanif M A， Ibrahim N， Dahalan F A， et al. Microplastics and nanoplastics： recent literature studies and patents on their removal from aqueous environment［J］. Science of The Total Environment， 2022， 810： 152115.
51	Dümichen E， Barthel A K， Braun U， et al. Analysis of polyethylene microplastics in environmental samples， using a thermal decomposition method［J］. Water Research， 2015， 85： 451⁃457.
52	Liu Q， Chen Z， Chen Y， et al. Microplastics and nanoplastics： emerging contaminants in food［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2021， 69（36）： 10 450⁃10 468.
53	Fuller S， Gautam A. A procedure for measuring microplastics using pressurized fluid extraction［J］. Environmental science & technology， 2016， 50（11）： 5 774⁃5 780.
54	Sung S J， Daiao Hu D X H， Wang QiLin W Q L， et al. Microplastics in wastewater treatment plants： detection， occurrence and removal［J］.Water Research， 2019，152：21⁃37.
55	Dong Y， Gao M， Song Z， et al. Microplastic particles increase arsenic toxicity to rice seedlings［J］. Environmental Pollution， 2020， 259： 113892.
56	Dong Y， Gao M， Qiu W， et al. Uptake of microplastics by carrots in presence of As （III）： Combined toxic effects［J］. Journal of Hazardous Materials， 2021， 411： 125055.
57	Abbasi S， Moore F， Keshavarzi B， et al. PET⁃microplastics as a vector for heavy metals in a simulated plant rhizosphere zone［J］. Science of the Total Environment， 2020， 744： 140984.
58	Dong Y， Gao M， Song Z， et al. Microplastic particles increase arsenic toxicity to rice seedlings［J］. Environmental Pollution， 2020， 259： 113892.
59	Abbasi S， Moore F， Keshavarzi B. PET⁃microplastics as a vector for polycyclic aromatic hydrocarbons in a simulated plant rhizosphere zone［J］. Environmental Technology & Innovation， 2021， 21： 101370.
60	Guo A， Pan C， Su X， et al. Combined effects of oxytetracycline and microplastic on wheat seedling growth and associated rhizosphere bacterial communities and soil metabolite profiles［J］. Environmental Pollution， 2022， 302： 119046.
61	Singh N， Khandelwal N， Tiwari E， et al. Interaction of metal oxide nanoparticles with microplastics： impact of weathering under riverine conditions［J］. Water Research， 2021， 189： 116622.
62	Sharma N， Kumar V， Maitra S S， et al. DBP biodegradation kinetics by Acinetobacter sp. 33F in pristine agricultural soil［J］. Environmental Technology & Innovation， 2021， 21： 101240.

方法	定性、定量	MPs/NPs 的检测范围	优缺点
肉眼观察	定量（数量、尺寸）	尺寸不限	成本低，预处理复杂，主观性强且容易出现人为错误。
称重	定量（质量）	尺寸不限	成本低，需要配合微天平等多个步骤（如：过滤、干燥），易受外界干扰。
浊度	定量（浓度）	不适合低密度MPs/NPs	使用方便，快速，测量范围广，易受其他颗粒的干扰，不适合低密度的M/NPs
GC⁃MS	定性（类型）	尺寸不限	精度高，可获得的MPs/NPs的种类，需要结合热分析技术、破坏性方法，不能提供M/NPs的尺寸和数量，需要有资质的人员。
LC	定性（类型）	尺寸不限	精度高，可获得的M/np类型，需要与其他技术相结合，不能在M/np上提供尺寸和数量，需要有资质的人员。
FT⁃IR	定性（类型）	≥20 μm	方法快速、无损，可获得MPs的特定光谱，不适合NPs，仪器昂贵，需要合格的人员。
Raman	定性（类型）	≥1 μm	快速无损的方法，精密度高，对非极性官能团敏感，易受污染物（微生物和有机或无机物）影响，不适合NPs，需要有资质的人员。
SERS	定性（类型）	≥50 nm	灵敏度高、分子特异性独特、不受复杂成分影响、横向分辨率低、重现性差。
SEM⁃EDX	定量（数量、尺寸）	尺寸不限	可以提供M/NPs的高分辨率图像，可以获得M/NPs的形貌和表面元素组成，成本高，有复杂的预处理步骤。
DLS	定性（大小）	1 nm~10 μm	快速准确，适用于测定分子量和分子大小，主要适用于球形颗粒，对溶液温度和粘度变化敏感。
定量1H 核磁共振	定性（大小）	尺寸不限	快速、高精度、易受有机物干扰，需要完全提取 MPs/NPs，不适用于复杂基质。
质子核磁共振	定量（浓度）	尺寸不限	基体干扰小需要将聚合物溶解在适当的溶剂中，价格昂贵。

方法	定性、定量	MPs/NPs 的检测范围	优缺点
肉眼观察	定量（数量、尺寸）	尺寸不限	成本低，预处理复杂，主观性强且容易出现人为错误。
称重	定量（质量）	尺寸不限	成本低，需要配合微天平等多个步骤（如：过滤、干燥），易受外界干扰。
浊度	定量（浓度）	不适合低密度MPs/NPs	使用方便，快速，测量范围广，易受其他颗粒的干扰，不适合低密度的M/NPs
GC⁃MS	定性（类型）	尺寸不限	精度高，可获得的MPs/NPs的种类，需要结合热分析技术、破坏性方法，不能提供M/NPs的尺寸和数量，需要有资质的人员。
LC	定性（类型）	尺寸不限	精度高，可获得的M/np类型，需要与其他技术相结合，不能在M/np上提供尺寸和数量，需要有资质的人员。
FT⁃IR	定性（类型）	≥20 μm	方法快速、无损，可获得MPs的特定光谱，不适合NPs，仪器昂贵，需要合格的人员。
Raman	定性（类型）	≥1 μm	快速无损的方法，精密度高，对非极性官能团敏感，易受污染物（微生物和有机或无机物）影响，不适合NPs，需要有资质的人员。
SERS	定性（类型）	≥50 nm	灵敏度高、分子特异性独特、不受复杂成分影响、横向分辨率低、重现性差。
SEM⁃EDX	定量（数量、尺寸）	尺寸不限	可以提供M/NPs的高分辨率图像，可以获得M/NPs的形貌和表面元素组成，成本高，有复杂的预处理步骤。
DLS	定性（大小）	1 nm~10 μm	快速准确，适用于测定分子量和分子大小，主要适用于球形颗粒，对溶液温度和粘度变化敏感。
定量1H 核磁共振	定性（大小）	尺寸不限	快速、高精度、易受有机物干扰，需要完全提取 MPs/NPs，不适用于复杂基质。
质子核磁共振	定量（浓度）	尺寸不限	基体干扰小需要将聚合物溶解在适当的溶剂中，价格昂贵。

[1]	. Fate and effects of MPs/NPs in agricultural soils [J]. , 2025, 39(5): 52-58.
[2]	XIAO Jinnan, ZHANG Zhenming. Sources， occurrence characteristics and potential risks of microplastics in farmland soils： A review [J]. China Plastics, 2024, 38(9): 137-144.
[3]	LIN Liangbin, ZHOU Weiming, XUE Hun, QIAN Qingrong, YANG Songwei, CAO Changlin, CHEN Qinghua. Progress of microplastic pollution control research based on photocatalytic degradation [J]. China Plastics, 2024, 38(12): 172-178.
[4]	YANG Min, WANG Ying, CHEN Lei, MA Huifang, YAN Guihuan, WANG Wenyu. Research progress in microplastic pollution， transformation， and removal from water [J]. China Plastics, 2023, 37(2): 90-100.
[5]	SUN Wenxiao, YANG Fan, HOU Mengzong, HE Dandan, WU Hui, LIU Qiang, ZHANG Hong. Microplastic pollution and degradation in environment [J]. China Plastics, 2023, 37(11): 117-126.
[6]	BAI Shuiquan, BIAN Jiacheng, WANG Leyuan, YANG Jiahua, DENG Yafeng. Research progress in removal technologies of microplastics in water environment [J]. China Plastics, 2022, 36(8): 166-175.
[7]	GUO Yuwen, ZENG Bei, GAO Xing, WANG Pan, REN Lianhai. Effect of PET microplastics on performance of co⁃digestion of sewage sludges and food wastes [J]. China Plastics, 2022, 36(7): 51-60.
[8]	TANG Qingfeng, LI Qinmei, WANG Jiamin, ZHANG Yuxiang, GAO Xia. Identification and Analysis of Microplastics by Micro Fourier Transform Infrared Spectroscopy [J]. China Plastics, 2021, 35(8): 172-180.