涪江重庆段沉积物中微塑料的分布特征及其对典型抗生素的吸附行为研究

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目前对微塑料的污染研究主要集中于海洋环境,淡水系统是海洋塑料的重要来源却并没有得到足够的重视。沉积物是微塑料重要的汇,进行淡水环境的沉积物中微塑料调查具有重要意义。我国是抗生素生产和消费大国,微塑料和抗生素都普遍存在于水环境中,微塑料比表面积大、疏水性强等理化性质使其对抗生素具有吸附作用。研究微塑料对抗生素的吸附行为和机理,能深入了解微塑料的环境风险,对于明晰微塑料和抗生素的复合污染具有重要的科学意义。本文对涪江重庆段进行沉积物中微塑料分布调查研究。分析了区域沉积物中微塑料的形状、颜色特征,对比各采样点间微塑料丰度差异,指出该江段沉积物中微塑料的分布特征。选取环境中常见的聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)三种微塑料和泰乐菌素(TYL)、四环素(TC)两种抗生素作为室内控制实验研究材料,以不同微塑料浓度和盐度为影响因素,并利用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪等对微塑料进行表征,通过动力学吸附实验和等温吸附实验,使用吸附模型对实验结果进行拟合,分析可能存在的吸附机理。主要研究成果如下:(1)涪江重庆段沉积物中微塑料丰度为11-221 n/kg,平均丰度为75 n/kg。在空间分布上存在差异,总体是人员越密集、活动越频繁的区域沉积物中微塑料含量越多。检出微塑料形状占比为:纤维>薄膜>碎片>泡沫>微珠,颜色占比为:白色>黑色>透明>红色>绿色>橙色。结果显示该区域沉积物中微塑料污染水平相对较低。(2)通过扫描电子显微镜观察吸附实验使用的微塑料表面形态,发现PE表面粗糙、PS表面平坦、PVC表面光滑。通过表面孔径分析仪测定微塑料的比表面积,发现三种微塑料的比表面积大小为:PE>PS>PVC,其中PE的比表面积为2.25m~2/g,PS的比表面积为1.40 m~2/g,PVC的比表面积为1.34 m~2/g。通过X射线衍射仪分析微塑料的结晶度,三种微塑料的结晶度高低为PE>PS>PVC。通过Zeta电位分析仪测定微塑料在不同p H值下的电位,得出PE、PS、PVC表面Zeta电位零电荷点(p Hpzc),分别是6.63、6.69、6.65。(3)微塑料对TYL的吸附能力为PVC>PE>PS,对TC的吸附能力为PVC>PS>PE。对动力学吸附结果进行拟合,发现准二级动力学模型具有最高的拟合度。抗生素在微塑料上的吸附同时存在化学吸附和物理吸附,吸附行为由多因素共同作用。对等温吸附结果进行拟合,发现Freundlich模型拟合效果最好,说明分布在三种微塑料表面的吸附位点不均匀,吸附过程非线性,并且在整个吸附过程中除疏水分配作用外,也存在着其他作用。利用傅里叶红外光谱仪分析吸附前后的微塑料,并未发现新的官能团产生,说明吸附过程以物理吸附为主。推测微塑料对抗生素的吸附机制主要有疏水分配作用、微孔填充机制和范德华力,也可能存在表面络合和π-π键相互作用。(4)增加微塑料投加量会使单位质量的微塑料对抗生素的吸附量减少,但是,吸附总量会增加。并且,随着微塑料浓度的增加,反应越易发生。增加盐度对微塑料吸附TYL有略微的抑制作用,而对吸附TC影响不显著。
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