广西农田土壤微塑料污染特征及其与土壤矿物吸附机制

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微塑料通常被定义为尺寸小于5mm的塑料颗粒,其生态环境效应已成为全球生态环境研究的热点。土壤作为全球最大的塑料库,微塑料在土壤空间分布和迁移过程关系到整个陆地生态系统。研究陆地土壤微塑料形态特征、时空分布特征及其与土壤矿物相互作用机理十分重要。本论文通过调研广西所辖14个地级城市142个农田微塑料样品,研究微塑料在农业土壤上的污染特征及时空分布规律;结合调研结果,以两种最典型微塑料为研究对象,探讨其在土壤矿物上的吸附机理展开研究;并对在低分子量有机酸存在条件下微塑料在矿物上的界面作用进行试验研究,探讨土壤中矿物与微塑料作用机制。主要研究结果和结论如下:1.调研了广西农田土壤微塑料污染特征及其与地理因素的关系:广西农田土壤微塑料普遍存在,平均丰度为10,818个/kg。广西农田土壤微塑料丰度低于山西省和山东省但高于云南省。尺寸0—0.5mm的微塑料在研究区域的农业土壤中占主导地位。聚丙烯(PP)和尼龙(PA)是主要的聚合物成分。随着广西盆地地势由西北向东南倾斜的走向,微塑料丰度趋势是增加。土壤微塑料丰度与城市化率和第二产业GDP呈正相关。小尺寸(0—0.5mm)、纤维和颗粒以及白色部分微塑料占比与年平均降雨量显著相关。广西农田土壤风险等级为Ⅱ级。2.研究了矿物(高岭土和氧化铁)对微塑料吸附表明:微塑料在矿物上的吸附动力学曲线呈现倒置的“L”型,聚丙烯和尼龙在矿物上的吸附动力学特征相似。拉格朗日二级动力学模型能很好的拟合吸附数据,R ~2>0.999;Freundlich方程能较好的拟合吸附等温线数据。微塑料在高岭土上吸附机制主要是氢键吸附和疏水作用力。微塑料在氧化铁上吸附机制主要是静电吸附和氢键吸附。吸附能力随着p H值的增大而减弱,随着离子强度的增大而增强。多价离子(Ca2+)对矿物吸附微塑料的影响比单价离子(K+)大。3.在植物低分子量有机酸存在时,矿物(高岭土和氧化铁)对微塑料的吸附表明:低浓度草酸促进矿物对微塑料的吸附。草酸的酸性能够影响矿物表面电荷和结构,酸性越强影响力越大,对吸附行为的影响越大。草酸对矿物吸附微塑料等温线进行模型拟合,拟合效果最好的是Langmuir模型。矿物对微塑料吸附存在物理吸附和化学吸附。
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