微塑料在潜流人工湿地系统中的环境行为及影响研究

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近年来,微塑料(microplastics,MPs)已在多种环境中被广泛检测到,其引起的环境污染问题日趋严重。由于化学结构稳定,以及尺寸小而难以有效去除,微塑料会对环境造成持久性的污染。此外,环境中的微塑料还会经历多种老化过程,不仅会显著改变自身的理化性质,还能进一步影响或改变其环境行为,增加潜在的环境风险,如释放添加剂、产生生物毒性和吸附污染物等。人类社会生产和生活中排放的大量微塑料,通常会随污水汇入污水处理系统。因此,微塑料对污水净化效能的影响以及水中微塑料的去除等问题值得进一步深入研究。这对于微塑料污染防治和水环境安全具有重要意义。本研究遴选环境中检出率高、使用较广泛的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)微塑料作为目标微塑料。首先,通过紫外光老化和自然老化处理,制备得到老化微塑料,并使用相关技术手段对原始和老化微塑料的理化性质进行表征和分析。其次,以垂直潜流人工湿地为研究对象,进行人工湿地模拟装置的构建与启动运行。最后,待湿地装置运行效果稳定,正式开始老化微塑料的暴露试验(第88~196d),探究微塑料暴露对潜流人工湿地净化效能的影响,以及考察对微生物群落和植物生长状况的影响。本研究取得的主要结论有以下几点:(1)老化处理后PE、PP、PVC微塑料表面发生了一定程度的氧化,但老化过程中没有氧化降解产物生成。扫描电子显微镜(SEM)图像显示,相较于表面相对光滑的原始微塑料,老化处理30 d后微塑料表面均变得粗糙,并有褶皱、裂缝、凹坑、凸起和孔洞等产生。比表面积及孔径测试(BET)结果表明,老化微塑料的比表面积、孔直径与孔体积相较于原始样品均有不同程度增加。尤其紫外老化后PE、PP微塑料的比表面积和孔体积均显著增加,而PVC微塑料比表面积增加不大,但孔体积增加显著。傅里叶红外光谱(FTIR)发现,三种微塑料的原始和老化样品的红外光谱基本相似,均具有丰富的官能团,但各官能团的吸收峰强度表现出差异。CI值计算发现,紫外光老化处理30 d后三种微塑料的CI值均有明显增加。(2)老化微塑料暴露对潜流人工湿地净化效能的影响因污染物种类或不同运行时间而存在差异。微塑料暴露对COD去除效果无明显影响;对NH4+-N去除效果在稳定期后半期(第130~196 d)表现出显著影响,投加微塑料组的NH4+-N平均去除率较对照组分别降低7.32%、4.94%和7.15%;对TP去除效果在稳定期后半期存在影响,程度具体表现为CW4组(投加PVC)>CW2组(投加PE)>CW3组(投加PP);对出水DO含量的变化无明显影响。此外,人工湿地对微塑料的截留效率达到100%,主要是被湿地填料、植物根系或生物膜截留在填料上层。(3)高通量测序结果表明,老化微塑料暴露对潜流人工湿地系统中微生物群落多样性和结构组成具有不同程度的影响。相较于对照组CW1及CW4组,CW2和CW3组湿地中微生物群落的丰富度和多样性明显增加,但两组中变形菌门Proteobacteria和拟杆菌门Bacteroidota的丰度却显著降低。此外,在微塑料暴露下,人工湿地中微生物群落菌属结构均发生明显改变。(4)老化微塑料暴露并未对植物生长状况产生明显抑制作用,甚至可能具有一定的促进作用。在微塑料暴露下,各组湿地中黄菖蒲的平均生长速率变化差异较小,无明显影响。此外,CW2和CW3组植物根系发达,长而强盛,而CW1组植物根系较少,健康状况一般。通过植物叶绿素含量测定发现,相较于对照组,老化PE、PP微塑料暴露可能促进叶绿素的合成,而老化PVC暴露则无影响。
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