典型抗生素在微塑料污染土壤中的吸附和迁移行为研究

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粒径小于5 mm的塑料被定义为“微塑料”,其广泛分布在海洋和陆地环境中。微塑料具有粒径小、迁移性强、比表面积大等特点,可以作为其他污染物的载体,容易迁移到各种环境介质中并造成负面影响。目前关于微塑料与其他污染物相互作用的研究大多集中于水环境中,而对土壤中微塑料与其他污染物相互作用的研究较少。因此,本研究以砂质土为供试土壤,以环境中存在较为广泛的土霉素(OTC)和甲氧苄啶(TMP)为典型抗生素,以聚酰胺(PA)为典型微塑料,使用K2S2O8热活化法模拟环境中微塑料的老化,采用批实验探究老化行为对微塑料吸附抗生素的影响;通过批实验和柱实验研究了未老化和老化微塑料对抗生素在土壤中吸附和迁移行为的影响。并使用准一级动力学模型、准二级动力学模型和颗粒内扩散模型对吸附动力学实验数据进行拟合,利用linear模型、Langmuir模型和Freundlich模型对等温吸附数据进行拟合,分析了几种微塑料对抗生素的吸附机制;此外,还研究了不同环境条件(pH和离子强度)下几种吸附剂对抗生素吸附的影响。主要研究结论如下:(1)OTC在土壤、含5%(w/w)PA和10%(w/w)PA的土壤上的吸附在24小时内均能达到平衡,准二级动力学模型更适合描述土壤和含PA微塑料的土壤对OTC的吸附动力学数据(R2>0.990);准二级动力学模型表示OTC在土壤上的吸附是化学吸附占主导作用;当OTC初始浓度较低(1.0-10 mg L-1)时,土壤和含PA土壤对OTC的吸附量几乎一致,但在高初始浓度时(15mgL-1),PA显著降低了土壤对OTC的吸附;PA对OTC的吸附能力弱于土壤,使得PA对土壤的总吸附量产生了稀释效应。同时,PA增加了土壤的pH值,从而增强了土壤与OTC之间的静电引力,这补偿了由于稀释效应或竞争吸附降低的吸附量,导致PA对土壤吸附OTC影响不显著。(2)OTC在土柱、含5%PA的土柱和含10%PA的土柱中的穿透时间(C/C0=5%)分别为34、26和25 h,表明PA微塑料的存在加速了 OTC在土壤中的穿透速度;通过HYDRUS-1D模型拟合得到OTC在土壤中的分配系数(K=0.018 L g-1)高于含PA的土壤(K=0.012-0.013 L g-1),说明PA通过抑制土壤对OTC的吸附来增加其流动性。(3)PA微塑料在K2S2O8热活化法处理下裂解破碎,老化PA表面新增官能团-COOH和C-NH2,含氧官能团比例随着老化时间的增加而增加。老化过程显著增加了 PA微塑料的比表面积,为吸附提供了更多的吸附位点,从而增强了 PA对TMP的吸附,并且吸附量与老化时间呈正相关关系;疏水作用和氢键被认为是TMP在原始和老化PA上吸附的主要机制;阳离子抑制了原始和老化PA对TMP的吸附,其抑制能力顺序为:Mg2+>Ca2+>Na+;随着pH从3增加到11,老化和未老化的PA对TMP的吸附都是先增加后减少,在pH为7时,达到最大的吸附容量。(4)土壤和含有老化PA的土壤对TMP的吸附量在短时间内快速增加,然后逐渐降低,直到达到吸附平衡;老化PA显著增加了土壤对TMP的吸附量,且吸附量与老化PA的占比呈正相关。老化PA对土壤吸附TMP的影响因pH而异。pH为1时老化PA对土壤吸附OTC为抑制作用,而其他pH条件下为促进作用;TMP在土壤和含10%老化PA的土壤上的吸附量随着离子强度(0-50 mmoL L-1)的增加而减小。
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