【摘 要】
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全球塑料的大量生产导致每年向水生生态系统释放的微塑料(MPs)数量增加,对全球生态系统造成了严重的风险。大量研究表明,在饮用水处理系统的出水中仍能检出一定量的MPs。而MPs一旦进入水中会受到包括化学和机械反应在内的非生物降解,导致塑料碎片化。尽管关于MPs在生态环境及水处理系统中检出及其对生态系统影响的研究很多,但从MPs中溶出的溶解性有机物(MPs-DOM)却很少受到关注,对其特性的研究也较少
【基金项目】
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山东省重大科技创新工程(2020CXGC011406); 山东省中央引导地方科技发展资金项目(YDZX20203700001642)
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全球塑料的大量生产导致每年向水生生态系统释放的微塑料(MPs)数量增加,对全球生态系统造成了严重的风险。大量研究表明,在饮用水处理系统的出水中仍能检出一定量的MPs。而MPs一旦进入水中会受到包括化学和机械反应在内的非生物降解,导致塑料碎片化。尽管关于MPs在生态环境及水处理系统中检出及其对生态系统影响的研究很多,但从MPs中溶出的溶解性有机物(MPs-DOM)却很少受到关注,对其特性的研究也较少。而当MPs在水中的运输和氧化过程中失去了保护添加剂时,可以加速DOM的浸出。本文围绕典型水处理氧化过程中MPs-DOM的生成、特性及控制问题,对比研究了典型氧化方式对MPs的影响,并对其溶出MPs-DOM的组成、消毒副产物(DBPs)生成特性及相关毒性进行了分析。研究了聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和尼龙(PA6)三种不含添加剂的MPs在对照组(黑暗条件)、UV反应、UV/H2O2氧化和UV/O3氧化过程中的DOM溶出情况。整体来看,PA6的DOM生成量(以DOC计)最高、PET次之、PP最低且不具备统计学意义,因此后续不再对PP-DOM进行讨论。对比来看,在对照组、UV氧化、UV/O3氧化过程中,PET-DOM和PA6-DOM的DOC值均随反应时间的延长及氧化剂浓度的提高呈增加趋势的;而在UV/H2O2体系下,随反应时间的延长,DOC生成趋势呈现先上升后下降的趋势。UV/O3体系对MPs的氧化作用更强,氧化后的MPs表面产生孔洞、裂纹,平均粒径减小;氧化行为并未使MPs表面的官能团发生大的变化,而MPs的羰基指数(CI)均有所上升。使用三维荧光-平行因子分析法(EEM-PARAFAC)对MPs源DOM进行表征,PA6-DOM和PET-DOM在官能团组成和荧光组分上具有相似性,主要由类芳香族有机物/酚类物质、类腐殖酸和类富里酸组成。采用平行因子分析法(PARAFAC)对EEM扫描结果进行了半定量解析,可以将其分为三个组分C1、C2、C3,组分C1、C2代表着芳香族有机物/酚类,而组分C3通常代表着还原类醌。采用pearson相关系数进行相关性分析,当R~2>0.9时说明其相关性良好,组分C1可以用来标记PA6-DOM的生成,组分C1、C2可以用来标记PET-DOM的生成。为明确已生成MPs-DOM对消毒过程的影响,采用SDS消毒法进行了模拟消毒实验,并添加0.1 mg/L的Br-1以模拟实际水基质背景,测定了三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)、卤乙醛(HALs)和卤乙腈(HANs)等DBPs的生成情况。整体来看,MPs-DOM为潜在的DBPs前体物来源,其DBPs生成量与DOC浓度呈正相关(R~2=0.92)。对于两种MPs-DOM,THMs和HALs的生成量最高,HAAs的生成量最低,为ng级。高级氧化对DBPs生成势有着明显的促进作用,其中UV/O3体系的促进作用最强,DBPs生成量均提高2倍以上。对DBPs的细胞毒性(CTI)和基因毒性(GTI)进行计算,CTI和GTI的变化趋势与DBPs生成势变化相似,跟随DOC浓度变化趋势。其中HALs的CTI值远大于THMs和HAAs,HALs的GTI值远大于HAAs。为表征MPs-DOM的毒理特征,选用微生物和浮游植物为研究对象进行了毒性试验。MPs-DOM对费氏弧菌的抑制作用随DOC浓度的增大而增强,同等DOC浓度下,PET-DOM对费氏弧菌的抑制作用强于PA6-DOM。而对于浮游植物,MPs-DOM对小球藻和铜绿微囊藻皆有一定的生长抑制作用,PA6-DOM对其的生长抑制作用强于PET-DOM。第6天时,铜绿微囊藻基本死亡,小球藻生长程度受抑,这说明MPs-DOM对铜绿微囊藻的抑制作用更强。
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