微塑料的老化及其与重金属和染料的作用机理研究

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微塑料(microplastics,MPs)和各种污染物在水环境中普遍存在,且不易降解。同时,作为载体,微塑料会通过吸附并携带有机及无机污染物,进一步将其输送到生物体体内,这可能会改变微塑料的环境行为、生物有效性以及潜在毒性,进而导致生态风险。到目前为止,大量研究表明微塑料对疏水性有机污染物有很强的吸附解吸作用,很少有报道揭示微塑料与无机污染物(重金属)以及亲水性污染物(染料)之间的相互作用。本研究选择传统微塑料聚乙烯(PE)和可降解微塑料聚乳酸(PLA)作为代表,将其在不同环境下老化,以重金属铅(Pb)和染料亚甲基蓝(MB)作为典型污染物,研究了老化前后微塑料对水环境中重金属以及有机染料之间的相互作用。主要结果如下:(1)三种老化方式(UV,O3,UV/O3)均对微塑料有一定的影响。其中,UV/O3结合方式影响最为显著,在老化后的微塑料表面形成含氧官能团。因此选择此种方式进行微塑料老化实验。结果表明,UV/O3老化处理显著提高了微塑料的含氧量、比表面积以及亲水性。微塑料老化后颜色均变黄,表面出现了明显的孔洞和裂缝,PE和PLA的Zeta电位分别从-5.1和-7.1降至-12.3和-9.5。相较于PE,UV/O3老化后PLA的理化性质变化更大。(2)微塑料对重金属Pb(Ⅱ)和有机染料MB的吸附过程,用拟二级动力学模型和Langmuir模型拟合效果较好,说明微塑料对两种污染物的吸附是由物理吸附主导、化学吸附同时存在的多层吸附过程。老化微塑料对污染物的吸附量高于原始塑料,吸附性能依次为老化PLA>老化PE>原始PLA>原始PE。此外,吸附实验表明微塑料对重金属以及有机染料的吸附机制包括静电吸引、表面络合以及氢键作用。(3)微塑料对阳离子污染物的吸附还会受到周围环境的影响,其中p H的影响尤为明显。碱性溶液会增加吸附作用,p H增加,带负电荷的微塑料会通过静电相互作用增强对阳离子污染物的吸附。离子强度的增加导致微塑料对两种污染物的吸附能力降低,说明微塑料不仅与重金属发生相互作用,还与其它离子作用。(4)微塑料对污染物在模拟肠液中的解吸量大于在模拟淡水中的解吸量。此外,老化处理降低了微塑料对两种污染物的解吸率,表明老化微塑料对生物体的危害比原始微塑料更严重。因此,微塑料对生物体的潜在危害大于对水生环境的潜在危害,携带污染物的微塑料在摄入后可能会对水生生物产生不利影响。综上所述,微塑料在环境中的老化过程会影响其作为共存污染物的载体作用。研究结果对于了解微塑料的环境行为、提供微塑料对污染物的环境风险信息以及评估微塑料在环境中的实际作用具有重要意义。
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