九龙江口红树林沉积物中微塑料分布及对重金属吸附特征

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微塑料(Microplastics,MPs)是指粒径<5 mm的塑料微粒。目前,微塑料的环境污染现状与生态风险已成为国际社会热门话题,并受到了中外专家学者的高度重视。微塑料为载体后,与周围环境中的重金属结合产生复合污染物,从而改变了污染物自身的环境污染行为和危害。了解微塑料与重金属的相互作用与机制,是评估其环境污染风险与毒理学机制的重要前提。本文以九龙江口红树林湿地沉积物为研究对象,分析了沉积物中MPs的丰度及形态特征,并探讨了其主要来源及与沉积物中重金属的关系。结合研究区沉积物理化参数和主要MPs的类型,以研究区内沉积物中检出的主要MPs聚乙烯(PE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)颗粒(<150μm)作为代表,通过实验室模拟吸附实验研究了基于九龙江口实际环境下对水中Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附行为,并对相关机制进行了探究。并将原生MPs暴露于研究区进行了6个月现场吸附实验,讨论了在实际环境下,MPs对重金属的吸附量变化情况以及MPs的表面生物膜的生成情况。本文所得主要结论如下:(1)九龙江口红树林湿地表层沉积物中MPs的丰度范围(干沉积物)为640~1140 n·kg-1,平均值为935 n·kg-1;MPs的形态有颗粒状(39%)、碎片状(31%)和纤维状(30%);颜色主要以透明为主(55%);粒径以<1 mm为主(92%);聚合物类型主要为PE、PET和PP,分别占57%、34%和9%;MPs的来源主要是附近水产养殖产生的塑料废弃物、流域内的城镇及农村生活或工业废水和通过潮汐作用被运输至此的塑料垃圾;扫描电镜-能谱分析发现,MPs的表面具有凹陷、多孔和撕裂的特征,并附着Pb、Cd、Hg、Cr、Fe、Mn、Zn和Cu等重金属元素。(2)PE对Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附能力均高于PET。准二级动力学模拟更合理地描述了MPs对上述重金属离子的吸附过程,说明吸附过程有几个吸附阶段,包括液相扩散、表面吸附和微孔扩散。Langmuir和Freundlich吸附等温线拟合模型均能很好地描述Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)在两种MPs上的吸附过程(R~2>0.96),表明MPs表面上的吸附是以单层吸附进行的,物理化学同时存在。温度和盐度的升高,均会使MPs对重金属的吸附量降低;p H升高,MPs对Cr(Ⅵ)的吸附量降低,对Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附量升高。(3)经过6个月现场吸附实验,MPs的表面均出现凹陷、断裂和裂缝,红外光谱分析发现,两种MPs的特征峰位置均未出现明显变化,说明两种MPs在短期环境老化的作用下并不会产生新的基团或共价键。MPs颗粒对金属离子的吸附量随时间呈增加态势。由于自然环境更复杂,两种MPs对四种重金属的吸附规律与室内模拟实验遵循的规律不同,如不同时间环境中盐度、p H、金属离子浓度和温度都在发生变化,并且随着时间的增加MPs的表面老化,并且会附着微生物,这会改变MPs对金属离子的吸附能力。对MPs的表面附着的细菌分析发现,PE和PET表面上优势菌门均为Proteobacteria,Actinobacteria和Bacteroidetes;PE表面的生物膜能够更快地进入稳定的种群状态,而PET表面的优势菌群的相对丰度逐渐失去主导地位,说明不同类型的MPs对不同生物膜的亲和力不同。通过PCo A和NMDS分析发现,两种MPs表面细菌群落结构有较高的差异性,结果表明,MPs本身的结构是决定其微生物群落多样性的重要因素。
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