土壤中微塑料和重金屬的復合污染：原理及過程.pdf

農 業(yè) 環(huán) 境 科 學 學 報 J o u r n a l o f A g r o E n v i r o n m e n t S c i e n c e 2 0 2 3 4 2 8 1 6 7 5 1 6 8 4 2 0 2 3 年 8 月 微 塑 料 是 指 粒 徑 小 于 5 m m 的 塑 料 碎 片 或 顆 粒 主 要 為 塑 料 制 品 通 過 環(huán) 境 中 物 理 化 學 及 生 物 作 用 裂 解 而 成 1 常 見 的 微 塑 料 包 括 聚 乙 烯 P E 聚 丙 烯 P P 聚 苯 乙 烯 P S 聚 氯 乙 烯 P V C 等 在 形 態(tài) 上 可 分 為 碎 片 顆 粒 纖 維 和 薄 膜 狀 等 1 2 0 2 2 年 生 態(tài) 環(huán) 境 部 首 次 將 微 塑 料 和 持 久 性 有 機 污 染 物 內 分 泌 干 擾 物 抗 生 素 共 同 界 定 為 國 際 上 廣 泛 關 注 的 四 大 類 新 污 染 物 2 有 關 微 塑 料 的 早 期 研 究 主 要 集 中 于 海 洋 環(huán) 境 中 3 但 近 年 來 的 研 究 指 出 陸 地 作 為 塑 料 制 品 生 產 的 源 頭 與 重 要 匯 集 地 微 塑 料 污 染 比 海 洋 更 加 普 曹 可 劉 雪 松 蘇 海 磊 等 土 壤 中 微 塑 料 和 重 金 屬 的 復 合 污 染 原 理 及 過 程 J 農 業(yè) 環(huán) 境 科 學 學 報 2 0 2 3 4 2 8 1 6 7 5 1 6 8 4 C A O K L I U X S S U H L e t a l C o m b i n e d t o x i c i t y o f m i c r o p l a s t i c s a n d h e a v y m e t a l s i n s o i l p r i n c i p l e a n d p r o c e s s J J o u r n a l o f A g r o E n v i r o n m e n t S c i e n c e 2 0 2 3 4 2 8 1 6 7 5 1 6 8 4 土 壤 中 微 塑 料 和 重 金 屬 的 復 合 污 染 原 理 及 過 程 曹 可 劉 雪 松 蘇 海 磊 王 凡 凡 季 寧 寧 沈 亞 琴 趙 文 思 魏 源 中 國 環(huán) 境 科 學 研 究 院 環(huán) 境 基 準 與 風 險 評 估 國 家 重 點 實 驗 室 北 京 1 0 0 0 1 2 C o m b i n e d t o x i c i t y o f m i c r o p l a s t i c s a n d h e a v y m e t a l s i n s o i l p r i n c i p l e a n d p r o c e s s C A O K e L I U X u e s o n g S U H a i l e i W A N G F a n f a n J I N i n g n i n g S H E N Y a q i n Z H A O W e n s i W E I Y u a n S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f E n v i r o n m e n t C r i t e r i a a n d R i s k A s s e s s m e n t C h i n e s e R e s e a r c h A c a d e m y o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s B e i j i n g 1 0 0 0 1 2 C h i n a A b s t r a c t M i c r o p l a s t i c s i n s o i l c a n c o m b i n e w i t h h e a v y m e t a l s a n d r e s u l t i n c o m p l e x p o l l u t i o n w h i c h c a n a l t e r t h e e n v i r o n m e n t a l b e h a v i o r a n d t o x i c e f f e c t s o f s i n g l e c o n t a m i n a n t s a n d c o n s e q u e n t l y n e g a t i v e l y a f f e c t t h e s o i l e c o s y s t e m s H o w e v e r t h e c o m b i n e d t o x i c i t y o f m i c r o p l a s t i c s a n d h e a v y m e t a l s a n d t h e i r f o r m a t i o n p r i n c i p l e s a n d p r o c e s s e s h a v e n o t y e t b e e n f u l l y e l u c i d a t e d T h i s p a p e r p r e s e n t s a d e t a i l e d r e v i e w o f t h e c o m b i n e d e n v i r o n m e n t a l b e h a v i o r o f m i c r o p l a s t i c s a n d h e a v y m e t a l s i n s o i l e n v i r o n m e n t d e s c r i b e s t h e p r i n c i p l e s a n d p r o c e s s e s o f a d s o r p t i o n a n d d e s o r p t i o n o f h e a v y m e t a l s b y m i c r o p l a s t i c s a n d c h a r a c t e r i z e s t h e m i g r a t i o n a n d t r a n s f o r m a t i o n o f m i c r o p l a s t i c s a n d h e a v y m e t a l s i n s o i l F u r t h e r m o r e i t s u m m a r i z e s t h e l a t e s t r e s e a r c h p r o g r e s s o n t h e c o m b i n e d t o x i c e f f e c t s o f m i c r o p l a s t i c s a n d h e a v y m e t a l s a n d f i n a l l y i t p r e s e n t s a n o u t l o o k f o r f u t u r e s t u d i e s t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e c o m b i n e d t o x i c i t y s t u d i e s o f m i c r o p l a s t i c s a n d h e a v y m e t a l s K e y w o r d s m i c r o p l a s t i c h e a v y m e t a l c o m b i n e d t o x i c i t y e n v i r o n m e n t a l b e h a v i o r s o i l 收 稿 日 期 2 0 2 2 1 2 0 5 錄 用 日 期 2 0 2 3 0 2 1 0 作 者 簡 介 曹 可 1 9 9 8 男 河 南 新 鄉(xiāng) 人 碩 士 研 究 生 主 要 從 事 新 污 染 物 復 合 毒 性 研 究 E m a i l c a o k e 2 0 m a i l s u c a s e d u c n 通 信 作 者 魏 源 E m a i l r b q w y 1 6 3 c o m 基 金 項 目 廣 東 省 環(huán) 保 專 項 資 金 項 目 粵 財 資 環(huán) 2 0 2 2 1 8 號 P r o j e c t s u p p o r t e d S p e c i a l F u n d P r o j e c t f o r E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n o f G u a n g d o n g P r o v i n c e C h i n a 2 0 2 2 1 8 摘 要 土 壤 中 的 微 塑 料 能 夠 與 重 金 屬 污 染 物 結 合 形 成 復 合 污 染 從 而 改 變 單 一 污 染 物 的 環(huán) 境 行 為 和 毒 性 效 應 對 土 壤 生 態(tài) 系 統(tǒng) 造 成 嚴 重 危 害 目 前 人 們 對 微 塑 料 和 重 金 屬 的 復 合 毒 性 效 應 及 其 形 成 原 理 污 染 過 程 的 了 解 還 十 分 有 限 本 文 綜 述 了 土 壤 環(huán) 境 中 微 塑 料 和 重 金 屬 的 復 合 環(huán) 境 行 為 討 論 了 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 解 吸 原 理 和 過 程 梳 理 了 土 壤 環(huán) 境 中 微 塑 料 和 重 金 屬 的 遷 移 和 轉 化 總 結 了 有 關 二 者 復 合 毒 性 效 應 的 最 新 研 究 進 展 最 后 對 未 來 相 關 工 作 提 出 展 望 以 期 為 微 塑 料 和 重 金 屬 的 復 合 毒 性 研 究 提 供 參 考 關 鍵 詞 微 塑 料 重 金 屬 復 合 毒 性 環(huán) 境 行 為 土 壤 中 圖 分 類 號 X 5 3 文 獻 標 志 碼 A 文 章 編 號 1 6 7 2 2 0 4 3 2 0 2 3 0 8 1 6 7 5 1 0 d o i 1 0 1 1 6 5 4 j a e s 2 0 2 2 1 2 4 7農 業(yè) 環(huán) 境 科 學 學 報 第 4 2 卷 第 8 期 遍 其 豐 度 可 能 是 海 洋 中 的 4 2 3 倍 4 微 塑 料 在 土 壤 中 能 夠 發(fā) 生 多 種 化 學 過 程 并 對 土 壤 及 土 壤 生 物 產 生 多 種 影 響 此 外 微 塑 料 可 與 土 壤 中 的 其 他 污 染 物 結 合產 生復 合效 應 1 使其 環(huán)境 效應 變得 更加 復雜 由于 早 期 工 業(yè) 排 放 交 通 污 染 垃 圾 處 置 不 當 等 原 因 我 國 土 壤 面 臨 著 嚴 重 的 重 金 屬 污 染 2 0 1 4 年 發(fā) 布 的 全 國 土 壤 污 染 狀 況 調 查 公 報 顯 示 我 國 土 壤 污 染 超 標 率 達 1 6 1 我 國 受 微 塑 料 污 染 影 響 的 區(qū) 域 常 與 重 金 屬 污 染的 分布 相重 合 5 而微 塑料 與重 金屬 之間 的相 互結 合 可使 污染 物原 有的 危害 顯著 提升 1 并使 生態(tài) 安全 與環(huán) 境 風 險 評 估 面 臨 新 的 挑 戰(zhàn) 因 此 本 文 對 土 壤 環(huán) 境 中 微 塑 料 與 重 金 屬 間 的 相 互 作 用 遷 移 轉 化 及 其 復 合 毒 性 效 應 進 行 了 系 統(tǒng) 性 的 綜述 梳理了微塑料與重金屬復合污染的原理及過程 以期為微塑料和重金屬的復合毒性研究提供參考 1 微 塑 料 和 重 金 屬 的 相 互 作 用 1 1 微 塑 料 對 重 金 屬 污 染 物 的 吸 附 與 解 吸 1 1 1 吸 附 解 吸 機 制 微 塑 料 因 其 良 好 的 吸 附 性 能 而 被 視 為 多 種 環(huán) 境 介 質 中 重 金 屬 離 子 的 重 要 載 體 靜 電 引 力 是 微 塑 料 吸 附 重 金 屬 的 主 要 機 制 如 表 面 呈 電 負 性 的 微 塑 料 易 通 過 靜 電 作 用 吸 附 C u 2 C d 2 P b 2 等 重 金 屬 陽 離 子 6 化 學 鍵 合 作 用 是 微 塑 料 吸 附 重 金 屬 的 另 一 項 機 制 7 微 塑 料 表 面 的 一 些 官 能 團 可 與 重 金 屬 離 子 通 過 化 學 鍵 結 合 如 P V C 表 面 的 鹵 素 原 子 8 P S 表 面 的 鍵 9 聚 酰 胺 P A 表 面 的 酰 胺 基 1 0 等 對 重 金 屬 離 子 都 有 較 高 的 親 和 力 此 外 重 金 屬 離 子 與 微 塑 料 表 面 的 含 氧 官 能 團 發(fā) 生 結 合 時 重 金 屬 離 子 可 占 據(jù) 含 氧 基 團 中 O 的 位 點 從 而 使 二 者 吸 附 得 更 加 牢 固 1 1 在 土 壤 環(huán) 境 中 污 染 物 間 的 吸 附 解 吸 行 為 同 時 存 在 當 吸 附 了 重 金 屬 污 染 物 的 微 塑 料 顆 粒 發(fā) 生 遷 移 或 環(huán) 境 條 件 發(fā) 生 改 變 時 解 吸 出 的 污 染 物 可 能 造 成 新 的 環(huán) 境 風 險 酸 性 土 壤 中 大 量 H 使 微 塑 料 表 面 質 子 化 產 生 的 靜 電 排 斥 作 用 極 易 使 H g 2 1 2 C d 2 1 3 C u 2 Z n 2 1 4 等 金 屬 陽 離 子 重 新 解 吸 出 來 在 土 壤 溶 液 中 含 硫 含 氧 基 團 對 重 金 屬 的 親 和 及 C a 2 M g 2 在 微 塑 料 表 面 的 競 爭 吸 附 是 發(fā) 生 解 吸 的 主 要 機 制 1 2 此 外 還 有 研 究 顯 示 微 塑 料 可 以 通 過 改 變 土 壤 理 化 性 質 間 接 促 進 重 金 屬 從 微 塑 料 上 解 吸 出 來 并 轉 化 為 更 穩(wěn) 定 的 有 機 結 合 態(tài) 1 5 1 1 2 反 應 動 力 學 模 型 和 吸 附 等 溫 線 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 行 為 通 常 可 以 用 準 二 級 反 應 動 力 學 模 型 描 述 1 6 這 表 明 微 塑 料 表 面 有 豐 富 的 活 性 位 點 吸 附 的 限 速 步 驟 是 化 學 吸 附 包 括 重 金 屬 和 微 塑 料 間 發(fā) 生 的 絡 合 配 位 螯 合 共 享 或 交 換 電 子 等 過 程 1 7 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 等 溫 線 多 數(shù) 符 合 L a n g m u i r 模 型 或 F r e u n d l i c h 模 型 1 8 表 明 二 者 間 通 常 發(fā) 生 物 理 和 化 學 的 單 層 均 相 或 非 均 相 吸 附 然 而 也 有 研 究 發(fā) 現(xiàn) H e n r y 模 型 和 T e m k i n 模 型 也 可 以 很 好 地 擬 合 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 過 程 L a n g 等 1 9 發(fā) 現(xiàn) 老 化 后 的 P S 對 C d 2 的 吸 附 符 合 H e n r y 模 型 G u o 等 2 0 報 道 T e m k i n 模 型 是 擬 合 P A P S P P 和 S r 2 之 間 吸 附 過 程 的 最 佳 模 型 并 推 測 多 層 吸 附 是 其 主 要 機 制 因 此 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 機 制 因 微 塑 料 和 重 金 屬 的 類 型 與 性 質 不 同 而 具 有 特 異 性 且 常 是 物 理 吸 附 和 化 學 吸 附 單 層 吸 附 和 多 層 吸 附 同 時 發(fā) 生 1 8 1 1 3 吸 附 解 吸 的 影 響 因 素 影 響 微 塑 料 對 重 金 屬 吸 附 和 解 吸 行 為 的 因 素 主 要 包 括 微 塑 料 的 性 質 重 金 屬 的 性 質 和 土 壤 環(huán) 境 條 件 3 個 方 面 圖 1 不 同 微 塑 料 的 結 構 特 征 帶 電 性 及 其 表 面 官 能 團 存 在 差 異 不 同 制 備 工 藝 的 聚 合 物 分 子 鏈 排 列 緊 密 程 度 也 不 同 從 而 影 響 了 微 塑 料 的 親 疏 水 性 質 使 其 對 重 金 屬 的 吸 附 能 力 存 在 顯 著 差 異 2 1 例 如 氯 化 聚 乙 烯 C P E P V C 含 有 的 C l 增 強 了 材 料 表 面 的 電 負 性 使 其 對 P b 2 C u 2 C d 2 的 吸 附 能 力 均 高 于 P E 2 2 P A 表 面 的 酰 胺 基 提 高 了 其 親 水 性 使 其 對 C d 2 1 1 與 C u 2 2 3 的 吸 附 顯 著 高 于 其 他 種 類 的 微 塑 料 如 P E P S P V C 等 P P 表 面 金 屬 離 子 的 有 效 吸 附 位 點 比 P E 更 多 因 此 同 等條件下 P P 對 C u 2 和 Z n 2 的吸附量比 P E 更大 2 4 微 塑 料 顆 粒 的 形 貌 也 對 重 金 屬 的 吸 附 有 較 大 影 響 微 塑 料 的 粒 徑 越 小 比 表 面 積 越 大 對 重 金 屬 的 吸 附 能 力 越 強 2 5 反 之 較 大 粒 徑 的 微 塑 料 則 會 促 進 重 金 屬 在 其 表 面 和 土 壤 環(huán) 境 中 的 解 吸 2 6 其 次 微 塑 料 的 結 晶 度 表 面 粗 糙 度 形 狀 等 也 會 對 重 金 屬 的 吸 附 和 解 吸 產 生 影 響 2 7 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 解 吸 也 受 重 金 屬 性 質 的 影 響 首 先 金 屬 離 子 和 微 塑 料 間 靜 電 作 用 的 強 弱 和 金 屬 元 素 本 身 的 性 質 有 關 如 C u 2 比 Z n 2 的 電 負 性 更 強 離 子 半 徑 更 小 因 此 C u 2 和 微 塑 料 表 面 的 靜 電 引 力 作 用 較 大 使 P P 和 P E 對 C u 2 的 吸 附 量 大 于 Z n 2 2 4 其 次 重 金 屬 在 環(huán) 境 中 常 見 形 態(tài) 的 不 同 也 會 影 響 其 和 微 塑 料 的 結 合 能 力 例 如 與 P b 2 相 比 C u 2 在 水 溶 液 中 易 形 成 水 合 離 子 同 時 產 生 的 強 酸 弱 堿 鹽 極 易 水 解 1 6 7 6曹 可 等 土 壤 中 微 塑 料 和 重 金 屬 的 復 合 污 染 原 理 及 過 程 2 0 2 3 年 8 月 w w w a e s o r g c n 影 響 了 C u 2 與 微 塑 料 的 結 合 能 力 使 C u 2 與 P V C P P P E P A 的 結 合 能 力 均 弱 于 P b 2 2 8 C r 與 C r 在 P E 和 P P 表 面 均 是 通 過 離 子 配 位 與 塑 料 分 子 上 的 甲 基 或 亞 甲 基 結 合 但 C r 在 酸 性 條 件 下 與 水 分 子 形 成 絡 合 物 減 弱 了 C r 與 甲 基 亞 甲 基 的 配 位 能 力 而 C r 形 成 酸 根 陰 離 子 對 配 位 能 力 影 響 較 小 從 而 使 C r 的 吸 附 率 高 于 C r 2 9 除 微 塑 料 和 重 金 屬 本 身 的 性 質 外 土 壤 環(huán) 境 條 件 也 可 顯 著 影 響 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 解 吸 例 如 土 壤 中 的 H 和 堿 土 金 屬 離 子 如 C a 2 M g 2 可 占 據(jù) 微 塑 料 表 面 的 吸 附 位 點 與 P b 2 C u 2 Z n 2 等 重 金 屬 陽 離 子 產 生 競 爭 吸 附 直 接 影 響 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 水 平 7 3 0 3 1 土 壤 中 的 低 分 子 有 機 酸 如 蘋 果 酸 檸 檬 酸 可 通 過 與 重 金 屬 絡 合 改 變 微 塑 料 表 面 吸 附 點 位 數(shù) 量 等 方 式 促 使 重 金 屬 從 微 塑 料 表 面 解 吸 出 來 并 轉 化 為 更 穩(wěn) 定 的 結 合 態(tài) 1 5 3 1 此 外 還 有 研 究 顯 示 長 期 種 植 蔬 菜 的 土 壤 中 更 容 易 發(fā) 生 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 3 2 但 相 關 機 制 還 有 待 進 一 步 揭 示 除 直 接 影 響 微 塑 料 與 重 金 屬 的 結 合 外 環(huán) 境 條 件 還 可 通 過 使 微 塑 料 發(fā) 生 老 化 進 而 改 變 微 塑 料 的 大 小 形 貌 及 表 面 官 能 團 等 性 質 來 影 響 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 在 老 化 過 程 中 微 塑 料 發(fā) 生 了 破 碎 氧 化 和 無 規(guī) 則 的 斷 鏈 表 面 變 得 粗 糙 結 晶 度 改 變 并 逐 步 由 高 分 子 向 低 分 子 轉 化 進 而 形 成 了 一 些 新 的 飽 和 及 不 飽 和 的 含 氧 官 能 團 3 3 這 些 含 氧 官 能 團 的 增 加 可 能 歸 因 于 塑 料 上 的 C H 鍵 在 老 化 條 件 作 用 下 斷 裂 后 與 氧 反 應 形 成 的 過 氧 自 由 基 C O 這 些 過 氧 自 由 基 可 以 從 周 圍 環(huán) 境 中 吸 收 氫 原 子 形 成 過 氧 化 氫 基 團 C O O H 并 進 一 步 分 解 為 其 他 產 物 C O C O H O C O 3 3 這 些 官 能 團 的 出 現(xiàn) 常 可 以 增 強 微 塑 料 對 環(huán) 境 中 重 金 屬 的 結 合 能 力 并 使 吸 附 絡 合 在 其 表 面 的 重 金 屬 更 難 發(fā) 生 解 吸 3 3 3 4 例 如 在 真 實 環(huán) 境 中 紫 外 光 可 老 化 表 層 土 壤 中 的 微 塑 料 增 大 其 比 表 面 積 并 在 表 面 形 成 羰 基 官 能 團 提 高 其 對 C u 2 Z n 2 等 重 金 屬 的 吸 附 能 力 3 4 在 中 深 層 土 壤 環(huán) 境 中 微 塑 料 顆 粒 可 發(fā) 生 化 學 和 生 物 老 化 如 F e n t o n 氧 化 微 生 物 降 解 等 1 9 造 成 與 紫 外 光 老 化 相 似 的 效 果 進 而 顯 著 增 強 其 對 重 金 屬 的 吸 附 能 力 3 5 1 2 微 塑 料 與 重 金 屬 復 合 體 的 環(huán) 境 行 為 微 塑 料 作 為 一 類 不 易 生 物 降 解 的 污 染 物 可 長 期 存 在 于 土 壤 中 并 在 土 壤 不 同 組 分 間 遷 移 因 此 微 塑 料 與 重 金 屬 的 結 合 可 使 重 金 屬 隨 微 塑 料 在 土 壤 中 遷 移 并 向 土 壤 深 層 甚 至 地 下 水 中 轉 移 進 一 步 加 劇 各 自 的 環(huán) 境 風 險 3 6 圖 2 1 2 1 土 壤 環(huán) 境 中 微 塑 料 的 遷 移 轉 化 和 歸 趨 微 塑 料 在 土 壤 中 的 遷 移 從 距 離 上 可 分 為 短 距 離 傳 播 與 長 距 離 傳 播 而 從 遷 移 方 向 上 可 分 為 水 平 遷 移 與 垂 直 遷 移 生 物 擾 動 和 農 業(yè) 活 動 是 微 塑 料 進 行 短 距 離 傳 播 的 主 要 方 式 而 長 距 離 傳 播 主 要 通 過 地 表 徑 流 和 土 壤 侵 蝕 3 7 土 壤 中 微 塑 料 的 水 平 遷 移 受 土 壤 生 圖 1 土 壤 環(huán) 境 中 重 金 屬 在 微 塑 料 表 面 吸 附 解 吸 的 影 響 因 素 F i g u r e 1 F a c t o r s a f f e c t i n g t h e m e c h a n i s m s o f a d s o r p t i o n a n d d e s o r p t i o n o f h e a v y m e t a l s o n m i c r o p l a s t i c s i n s o i l e n v i r o n m e n t 1 6 7 7農 業(yè) 環(huán) 境 科 學 學 報 第 4 2 卷 第 8 期 物 群 活 動 及 土 壤 性 質 的 影 響 而 耕 作 收 獲 和 生 物 擾 動 是 造 成 微 塑 料 在 土 壤 中 垂 直 遷 移 的 主 要 原 因 3 8 此 外 同 一 因 素 可 對 微 塑 料 的 遷 移 產 生 多 種 影 響 例 如 蚯 蚓 體 內 富 集 的 微 塑 料 顆 粒 能 通 過 蚯 蚓 的 排 泄 和 死 亡 等 方 式 擴 散 到 其 他 區(qū) 域 3 9 同 時 蚯 蚓 活 動 所 形 成 的 土 壤 孔 隙 也 能 促 進 土 壤 表 層 的 微 塑 料 向 更 深 層 土 壤 轉 移 3 8 植 物 側 根 生 長 過 程 中 形 成 的 間 隙 可 成 為 植 物 周 圍 土 壤 中 納 米 至 微 米 級 塑 料 2 m 進 入 植 物 體 內 的 入 口 而 在 蒸 騰 拉 力 的 作 用 下 植 物 體 內 地 下 部 的 微 塑 料 可 遷 移 至 植 物 的 地 上 部 并 隨 著 收 割 而 離 開 土 壤 環(huán) 境 4 0 4 1 在 降 水 活 動 的 影 響 下 土 壤 中 的 微 塑 料 顆 粒 受 重 力 沉 降 作 用 可 進 一 步 向 深 層 土 壤 轉 移 同 時 降 水 活 動 形 成 的 地 表 徑 流 可 使 微 塑 料 向 其 他 區(qū) 域 或 環(huán) 境 介 質 轉 移 4 2 在 農 田 土 壤 中 這 一 過 程 常 受 到 土 壤 質 地 離 子 強 度 溶 解 性 有 機 質 D O M 特 別 是 農 田 有 機 品 投 入 秸 稈 還 田 有 機 肥 施 用 生 物 炭 土 壤 改 良 等 釋 放 的 D O M 的 影 響 如 Q u e v e d o 等 4 3 的 研 究 表 明 微 塑 料 在 粒 度 分 布 不 均 勻 的 農 田 土 壤 中 的 保 留 量 比 在 高 純 度 石 英 砂 中 更 大 M a 等 4 4 發(fā) 現(xiàn) 不 同 種 類 的 D O M 對 不 同 粒 徑 納 米 塑 料 在 多 孔 介 質 上 的 垂 直 傳 輸 具 有 選 擇 性 這 可 能 導 致 粒 徑 較 大 的 納 米 塑 料 不 斷 向 土 壤 深 層 遷 移 而 粒 徑 較 小 者 則 長 期 保 留 在 耕 作 層 中 從 而 增 大 微 塑 料 及 其 負 載 的 污 染 物 對 作 物 及 人 體 暴 露 的 風 險 此 外 自 然 環(huán) 境 中 生 物 膜 的 存 在 也 會 增 強 微 塑 料 在 土 壤 中 沉 積 減 少 其 在 陸 地 系 統(tǒng) 中 的 遷 移 和 傳 輸 4 5 微 塑 料 在 土 壤 環(huán) 境 中 會 經(jīng) 歷 一 系 列 復 雜 的 物 理 化 學 生 物 作 用 并 發(fā) 生 相 應 的 轉 化 土 壤 表 層 的 微 塑 料 在 紫 外 線 輻 射 和 熱 氧 化 作 用 下 發(fā) 生 老 化 可 增 加 微 塑 料 表 面 粗 糙 度 形 成 新 的 表 面 官 能 團 并 可 破 碎 成 更 小 的 微 塑 料 顆 粒 1 9 4 6 中 深 層 土 壤 中 土 壤 動 物 與 微 生 物 可 驅 動 微 塑 料 降 解 并 產 生 短 鏈 片 段 在 更 深 層 的 無 光 厭 氧 土 壤 環(huán) 境 中 微 塑 料 還 可 作 為 土 壤 微 生 物 生 長 的 碳 源 被 分 解 利 用 3 8 除 直 接 作 用 外 土 壤 動 物 也 可 間 接 促 進 微 塑 料 的 生 物 降 解 研 究 發(fā) 現(xiàn) 經(jīng) 由 陸 正 蚓 L t e r r e s t r i s 代 謝 釋 放 的 微 塑 料 碎 片 易 被 生 態(tài) 冠 生 物 膜 或 土 壤 衍 生 的 有 機 和 無 機 大 分 子 包 圍 進 而 增 加 其 被 生 物 降 解 的 可 能 性 3 9 土 壤 中 的 微 塑 料 可 能 缺 乏 有 效 的 歸 趨 通 常 認 為 土 壤 和 沉 積 物 是 環(huán) 境 中 微 塑 料 最 重 要 也 是 最 終 的 匯 與 水 體 和 大 氣 環(huán) 境 不 同 進 入 土 壤 環(huán) 境 中 的 微 塑 料 流 動 性 差 可 能 在 各 種 天 然 有 機 質 如 多 糖 胡 敏 酸 富 里 酸 等 的 作 用 下 被 土 壤 團 聚 體 包 裹 而 發(fā) 生 聚 集 和 沉 積 4 7 外 力 作 用 如 濕 沉 降 水 徑 流 和 生 物 擾 動 等 也 能 夠 促 進 微 塑 料 在 土 壤 中 的 聚 集 4 2 粒 徑 大 密 度 低 的 微 塑 料 更 傾 向 于 懸 浮 在 土 壤 或 沉 積 物 表 圖 2 土 壤 環(huán) 境 中 微 塑 料 對 重 金 屬 的 吸 附 和 共 遷 移 F i g u r e 2 A d s o r p t i o n a n d c o m i g r a t i o n o f h e a v y m e t a l s b y m i c r o p l a s t i c s i n s o i l e n v i r o n m e n t 1 6 7 8曹 可 等 土 壤 中 微 塑 料 和 重 金 屬 的 復 合 污 染 原 理 及 過 程 2 0 2 3 年 8 月 w w w a e s o r g c n 層 而 尺 寸 越 小 密 度 越 大 的 微 納 米 塑 料 則 越 容 易 在 重 力 作 用 和 生 物 活 動 的 影 響 下 沉 積 到 土 壤 中 甚 至 長 期 停 留 在 土 壤 深 層 或 地 下 水 環(huán) 境 中 4 8 1 2 2 重 金 屬 在 土 壤 中 的 遷 移 轉 化 重 金 屬 在 土 壤 中 的 遷 移 轉 化 規(guī) 律 已 被 人 們 所 熟 知 土 壤 中 的 重 金 屬 離 子 或 絡 離 子 不 易 隨 水 淋 濾 但 可 以 通 過 一 系 列 物 理 化 學 過 程 在 水 平 和 垂 直 方 向 上 遷 移 4 9 土 壤 重 金 屬 的 遷 移 機 理 主 要 包 括 通 過 專 性 或 非 專 性 吸 附 與 土 壤 無 機 膠 體 結 合 通 過 絡 合 螯 合 或 表 面 吸 附 與 土 壤 有 機 膠 體 結 合 通 過 溶 解 沉 淀 作 用 在 土 壤 固 液 相 之 間 遷 移 通 過 氧 化 還 原 作 用 進 行 遷 移 等 5 0 其 中 土 壤 膠 體 作 為 土 壤 中 最 活 躍 的 組 分 對 土 壤 重 金 屬 的 遷 移 起 到 關 鍵 作 用 粒 徑 過 大 的 膠 體 產 生 的 位 阻 效 應 和 不 可 移 動 膠 體 對 重 金 屬 的 吸 附 絡 合 可 以 阻 滯 重 金 屬 在 土 壤 中 的 遷 移 而 當 優(yōu) 先 流 大 孔 隙 或 裂 縫 存 在 時 可 移 動 的 土 壤 膠 體 又 能 通 過 易 化 遷 移 加 快 重 金 屬 向 土 壤 深 層 及 地 下 水 的 傳 輸 速 度 負 載 著 其 他 污 染 物 的 土 壤 膠 體 還 能 驅 動 重 金 屬 和 有 機 污 染 物 微 塑 料 等 的 共 遷 移 顯 著 改 變 單 一 污 染 物 的 遷 移 能 力 和 生 物 有 效 性 5 1 土 壤 環(huán) 境 中 的 重 金 屬 以 多 種 形 態(tài) 存 在 重 金 屬 的 不 同 形 態(tài) 決 定 了 其 在 土 壤 中 的 遷 移 能 力 及 環(huán) 境 效 應 4 9 土 壤 重 金 屬 形 態(tài) 轉 化 機 理 主 要 包 括 化 學 作 用 驅 動 的 轉 化 如 土 壤 p H 有 機 質 土 壤 膠 體 發(fā) 生 改 變 時 土 壤 電 解 質 的 平 衡 狀 態(tài) 被 破 壞 使 重 金 屬 的 存 在 形 態(tài) 也 發(fā) 生 變 化 生 命 活 動 驅 動 的 轉 化 如 生 物 對 特 定 重 金 屬 元 素 的 吸 收 和 外 排 等 5 2 1 2 3 微 塑 料 對 重 金 屬 遷 移 的 影 響 微 塑 料 可 在 土 壤 中 進 行 遷 移 并 可 沿 食 物 鏈 進 行 傳 遞 4 1 5 3 5 4 基 于 微 塑 料 與 重 金 屬 的 相 互 作 用 微 塑 料 必 然 會 驅 動 重 金 屬 在 土 壤 及 食 物 鏈 中 的 傳 遞 部 分 研 究 調 查 了 多 孔 介 質 中 微 塑 料 與 重 金 屬 的 遷 移 表 明 微 塑 料 對 重 金 屬 遷 移 的 影 響 隨 環(huán) 境 因 素 與 微 塑 料 粒 徑 的 變 化 而 變 化 Y a o 等 5 5 發(fā) 現(xiàn) 中 性 條 件 下 納 米 塑 料 對 多 孔 介 質 表 面 吸 附 位 點 的 競 爭 導 致 介 質 對 T l 的 吸 附 能 力 減 弱 從 而 加 速 了 T l 在 水 飽 和 多 孔 介 質 中 的 傳 輸 但 酸 性 條 件 下 沉 積 在 介 質 表 面 的 納 米 塑 料 則 為 T l 提 供 了 更 多 吸 附 位 點 導 致 T l 的 移 動 性 受 到 抑 制 L i 等 5 6 的 研 究 表 明 納 米 塑 料 2 0 n m 與 氧 化 鐵 的 吸 附 絡 合 對 多 孔 介 質 上 沉 積 位 點 的 競 爭 及 懸 浮 納 米 塑 料 引 起 的 空 間 位 阻 效 應 共 同 促 進 了 二 者 在 水 飽 和 多 孔 介 質 中 的 傳 輸 而 較 大 粒 徑 的 微 塑 料 2 m 會 吸 附 在 氧 化 鐵 表 面 并 提 供 額 外 的 沉 積 位 點 導 致 二 者 在 多 孔 介 質 中 的 傳 輸 受 到 抑 制 以 上 研 究 提 示 了 環(huán) 境 中 的 微 塑 料 會 影 響 重 金 屬 在 土 壤 系 統(tǒng) 中 的 遷 移 其 過 程 和 結 果 取 決 于 介 質 對 微 塑 料 的 吸 附 介 質 對 重 金 屬 的 吸 附 以 及 微 塑 料 和 重 金 屬 間 的 相 互 吸 附 等 多 種 復 雜 因 素 總 體 來 說 微 塑 料 的 遷 移 可 以 促 進 重 金 屬 的 遷 移 而 微 塑 料 的 阻 塞 或 滯 留 也 會 使 重 金 屬 的 遷 移 受 到 抑 制 此 外 現(xiàn) 有 研 究 均 使 用 玻 璃 珠 高 純 度 石 英 砂 等 模 擬 多 孔 介 質 在 實 際 的 土 壤 環(huán) 境 中 土 壤 質 地 粒 度 分 布 土 壤 膠 體 D O M 以 及 其 他 污 染 物 的 存 在 均 會 影 響 二 者 的 共 遷 移 其 環(huán) 境 效 應 和 機 理 機 制 有 待 進 一 步 研 究 揭 示 目 前 關 于 微 塑 料 對 重 金 屬 在 食 物 鏈 中 遷 移 影 響 的 研 究 還 非 常 有 限 A b b a s i 等 5 7 發(fā) 現(xiàn) 聚 P E T 顆 粒 可 作 為 載 體 將 P b C d 和 Z n 運 輸 到 小 麥 的 根 際 區(qū) 并