土水环境中微塑料对有机污染物的吸附行为及机理

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塑料制品质量轻、耐腐蚀、强度高、惰性强、耐用性强且价格低廉,它被大量应用到人类生活的方方面面。由于塑料垃圾的循环利用和废物管理水平较低,致使其造成了严重的环境问题。微塑料被定义为粒径小于5 mm的塑料颗粒,它在水体和土壤环境中广泛检出。由于微塑料表面的疏水性,它对有机污染物具有较强的吸附作用。这些吸附的有机污染物可能会随微塑料在环境中迁移或转移进入生物体内,从而造成潜在的环境和健康风险。因此,本文研究了微塑料在水溶液和土壤中对有机污染物的吸附行为,并分析了不同环境因子对吸附过程的影响。主要研究结果如下:(1)微塑料样品性质的表征。本研究选取了聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)三种类型的微塑料。尽管在水溶液和土壤吸附实验中所用的微塑料来源不同,但相同类型的微塑料具有相似的结构和性质。微塑料样品的纯度高,且表面不存在含氧官能团。三种微塑料中,PE的粒径最小,具有最大的比表面积和微孔体积。三种微塑料的化学结构性质存在较大差异。PE和PP微塑料为橡胶态聚合物,其结构较为膨胀和柔韧。PS为玻璃态聚合物,其结构较为刚性和紧密。(2)微塑料在水溶液中对磺胺甲恶唑的吸附行为。三种微塑料中仅观察到PE微塑料可吸附磺胺甲恶唑,而没有观察到PP和PS微塑料对磺胺甲恶唑的吸附。磺胺甲恶唑在PE微塑料上的吸附等温线可以用线性模型很好地拟合,其分配系数为591.7±24.1 L kg–1。非特异性的范德华力是磺胺甲恶唑吸附的主要机理。溶液p H、富啡酸共存和盐度对PE微塑料吸附磺胺甲恶唑均没有显著影响。(3)微塑料在水溶液中对四环素的吸附行为。三种微塑料对四环素的吸附等温线都可用Langmuir模型很好地拟合。疏水作用、微孔填充和范德华力是微塑料吸附四环素的主要机制。三种微塑料对四环素的吸附量大小为:PS(167±3.63μg g–1)>PP(113±4.45μg g–1)>PE(109±7.74μg g–1)。随着p H的增加,微塑料对四环素的吸附量先增加后降低,吸附峰值为p H 6.0。由于在酸性或碱性条件下,四环素与微塑料之间的静电斥力抑制了四环素的吸附。盐度的变化并未引起四环素吸附量的显著变化。随着富啡酸浓度的升高,微塑料对四环素的吸附量直线下降,说明水体中共存的溶解性有机质(DOM)会抑制微塑料对四环素的吸附,因此微塑料可能不会作为四环素在自然水体中的载体。(4)微塑料在水溶液中对菲的吸附行为。PE和PP微塑料对菲的吸附动力学可用伪二级动力学模型拟合,PS微塑料对菲的吸附动力学过程可用颗粒内扩散模型很好地描述。菲在PE、PP和PS微塑料上的吸附平衡时间分别为24、36和72 h。三种微塑料对菲的吸附等温线都可用线性模型描述,它们对菲的分配系数的大小为PE(16821±410 L kg–1)>PP(9048±175 L kg–1)>PS(1892±79L kg–1),其主要原因是PE和PP的较为膨胀和柔韧的结构有利于菲的扩散进入,而PS内部较为刚性的结构不利于菲的吸附。溶液p H对三种微塑料吸附菲都没有显著的影响。溶液中共存的富啡酸对PE和PP微塑料吸附菲没有显著的影响,但对PS微塑料吸附菲影响显著。盐度的提高会不同程度地促进三种微塑料对菲的吸附,其主要原因是盐析效应。(5)微塑料会显著影响菲在土壤中的吸附和分布。PE和PP微塑料在1%和10%(w/w)添加比例下会显著增加砖红壤和棕壤对菲的吸附量(p<0.01),而PS微塑料仅在10%添加量时会显著增加两种土壤对菲的吸附量(p<0.01)。在砖红壤中,三种微塑料与土壤有机碳对菲的分配系数大小为:Log KPE(4.09±0.08(3.10±0.03 L kg–1),这与在棕壤中的分配系数大小顺序一致。微塑料会影响菲在土壤环境中的分布。在0.1%(w/w)的添加比例下,砖红壤和棕壤中的菲在PE微塑料上的相对分布分别为38%和9%。土壤预处理和土壤DOM共存会影响PS微塑料对菲的吸附,但土壤DOM对PE和PP微塑料吸附菲没有显著影响。综上所述,在自然水体中,微塑料可以作为磺胺甲恶唑和菲的有效载体,而对四环素的吸附作用有限;微塑料可作为菲在土壤环境中的“汇”,其作用可能比土壤有机质更显著。研究结果对于预测和评价微塑料在土水环境中的生态风险具有重要意义。
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