微塑料對水體污染物的吸附

微塑料對水體污染物的吸附一、 微塑料的來源近幾十年來，塑料制品被大量生產(chǎn)和應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和人類日常生活中。環(huán)境中的塑料垃圾降解過程十分漫長，在陽光照射、物理、化學(xué)和生物等作用下會進(jìn)一步分解為許多粒徑不一的塑料微粒或塑料微珠。塑料分解為塑料微粒后，降解過程會愈加緩慢，大量形狀大小不一的塑料微粒在環(huán)境中堆積、富集。微塑料，通常指粒徑小于5mm的塑料碎片，其粒徑較小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，排入水環(huán)境后難以被自然降解，可能在水環(huán)境中存在數(shù)百至千年。微塑料的來源可分為直接來源(directsource)和間接來源(indirectsource)。微塑料的直接來源是指在人類生產(chǎn)生活中，直接添加到化工產(chǎn)品及日化用品中的塑料顆粒和原料顆粒在生產(chǎn)加工使用過程中直接進(jìn)入環(huán)境。間接來源包括廢棄的塑料制品，如日用塑料制品、塑料包裝、泡沫塑料等進(jìn)入環(huán)境后，在機(jī)械、氧氣和太陽輻射等在物理、化學(xué)、生物等作用下破碎裂解形成的微塑料。污水處理廠是微塑料的最大來源之一，人類生活活動和工業(yè)生產(chǎn)活動殘留的塑料垃圾產(chǎn)生的微塑料隨著污水匯集到污水處理廠，雖然大部分的微塑料在污水處理過程中被除去，但是仍有部分微塑料隨著出水管道進(jìn)入環(huán)境中。塑料薄膜的殘留是微塑料的主要來源，農(nóng)用塑料薄膜在自然環(huán)境條件下難以降解完全，從而導(dǎo)致其在環(huán)境中不斷累積。研究表明，護(hù)膚品和洗滌劑中同樣含有微塑料成分，日常生活中衣物清洗的廢水中也含有大量的微塑料，此外，近海岸人類活動、船舶運(yùn)輸和海上作業(yè)、垃圾堆放、大氣沉降、地表徑流和海上浮標(biāo)設(shè)施等也是微塑料的主要來源之一。二、 微塑料的分布目前，微塑料在世界各地內(nèi)的水環(huán)境和沉積物環(huán)境中都可以被檢測到。有研究表明，海洋中的微塑料占塑料廢棄物的90%以上。經(jīng)Geyer等人研究發(fā)現(xiàn)，從1950年到2015年，全球大約產(chǎn)生了63億t塑料垃圾，其中一部分最終進(jìn)入海洋。目前，微塑料污染的調(diào)查研究區(qū)域主要集中在海洋，包括加拿大、巴西和中國等沿海國家，比如我國的黃海海岸、南海海域、珠江口水域等均已發(fā)現(xiàn)含有較高水平的微塑料。微塑料廣泛存在于內(nèi)陸湖泊、河口、海洋，甚至偏遠(yuǎn)地區(qū)，如北極中央盆地。Eriksen等通過模型，估算全球海洋表層海水中的塑料數(shù)量超過5.25X1012個，其中微塑料的重量高達(dá)0.35X105t。不同海域表層海水中微塑料的濃度范圍從小于十個每平方千米到數(shù)萬個每平方千米。Klein等對德國漢堡市108個大氣沉積物樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)微塑料廣泛存在于漢堡市區(qū)的大氣沉積中，采樣過程共發(fā)現(xiàn)2625個微塑料顆粒，平均豐度為275個/m2/d，微塑料占總顆粒量的95%。Soeun等研究了韓國納洞河塑料微粒的時空分布和特性，結(jié)果表明在不同的采樣季節(jié)某些微塑料的豐度和組成存在顯著差異。海洋微塑料負(fù)荷的70%?80%發(fā)生在雨季，在最壞的情況下，微塑料的年負(fù)荷大約比以前的估計高13倍或12倍。Zheng等研究了膠州灣地區(qū)微塑料的分布特征，發(fā)現(xiàn)與其他類似地區(qū)相比，海灣地區(qū)的微塑料豐度較低，且在殘余水流和有沉積物輸送趨勢的地區(qū)，對微塑料的分布和組成有明顯的影響。微塑料的豐度和組成在海水和沉積物中表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，與海灣相比水和沉積物中微塑料豐度較高的河口樣品的微塑料尺寸較大，聚合物類型較少，表明河流輸入是海灣塑料微粒的主要來源。Jiang等發(fā)現(xiàn)西藏高原河流中主要是纖維狀和小型微塑料，沉積物和地表水中PET和PE微塑料含量最高，且城市沉積物中微塑料的豐度高于農(nóng)村。Ding等對渭河地表水和沉積物中的微塑料進(jìn)行了研究，所有水和沉積物樣品中都發(fā)現(xiàn)了微塑料，低水流量和高含砂率決定了微塑料的積累和分布，渭河流域的微塑料源與農(nóng)業(yè)活動密切相關(guān)。微塑料在海洋中受洋流、風(fēng)力等作用被長距離運(yùn)輸，擴(kuò)散到全球的海洋生態(tài)系統(tǒng)。目前的研究已經(jīng)報道了微塑料廣泛存在于各個大洋不同深度的水體、海冰、深海沉積物以及海洋生物中。三、微塑料的吸附性微塑料在長期的環(huán)境風(fēng)化作用下，會形成特殊的表面特征，如較高的比表面積、孔隙率和非晶結(jié)構(gòu)等，有利于環(huán)境中污染物的吸附。Zhang等通過電子顯微鏡研究了微塑料顆粒，發(fā)現(xiàn)微塑料顆粒表面有許多褶皺和多孔結(jié)構(gòu)。不同類型的微塑料和老化的微塑料通常也含有更高濃度的污染物。有研究指出，在不同微塑料中有機(jī)磷酯和鄰苯二甲酸酯的吸附行為研究中，發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯泡沫塑料比其他類型的微塑料含有更高濃度的多環(huán)芳烴和多氯聯(lián)苯。多環(huán)芳烴是一種典型的疏水污染物，其與微或納米級塑料的強(qiáng)相互作用在水環(huán)境中隨處可見。Lee等人對多環(huán)芳烴(PAHs)與聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)之間的吸附行為進(jìn)行了實驗，采用KMPsw(微塑料與海水之間的分配系數(shù))的三相分配法進(jìn)行測定。結(jié)果表明，KMPsw的排序為聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，與辛醇冰分配系數(shù)相似。吸附系數(shù)與疏水性之間存在較高的相關(guān)性，表明疏水性是塑料碎片與多環(huán)芳烴吸附行為的主要影響因素。微塑料在環(huán)境中有大小不同的尺寸，其尺寸對污染物的吸附是重要的影響因素之一。Wang等以聚苯乙烯為典型微塑料，以菲和硝基苯為污染物，研究了微米、亞微米和納米級塑料對污染物的吸附性能，發(fā)現(xiàn)微米級聚苯乙烯和亞微米級聚苯乙烯的logKd(微塑料中污染物濃度的分布系數(shù))隨粒徑的減小而增大，而納米聚苯乙烯的logKd隨粒徑的增大而減小。由此得出，當(dāng)粒徑減小到納米級時，污染物(菲和硝基苯)的吸附行為發(fā)生了改變。Zhang等研究聚苯乙烯微塑料吸附土霉素的過程，同時存在顆粒擴(kuò)散和膜內(nèi)擴(kuò)散，經(jīng)過處理的聚苯乙烯對土霉素具有較高的親和力。經(jīng)過處理的微塑料具有更高的比表面積、微孔面積和氧化程度，土霉素吸附在擱淺泡沫上的FreundlichKf值為894+84((mg/kg)(mg/L)1/n)，最大吸附發(fā)生在pH=5時，此時微塑料表面與土霉素之間的靜電斥力最小，說明靜電相互作用可能調(diào)節(jié)了吸附。Zhang等研究了聚丙烯微塑料在模擬海水中吸附3,6-二漠咔^(3,6-BCZ)和1,3,6,8-四漠咔唑(1,3,6,8-BCZ)的情況。結(jié)果表明，擬二階動力學(xué)模型更適合描述微塑料對多鹵代咔唑的吸附，3,6-BCZ和1,3,6,8-BCZ的平衡吸附時間分別為6h和8h。吸附能力隨粒徑的減小而增大，吸附能力隨鹽度的增大而先增大后減小，最大吸附量出現(xiàn)在鹽度14%時。吸附量隨多鹵代咔唑濃度的增加而增加。微塑料顆粒以各種形狀、各種大小堆積聚集，而水體中的有機(jī)污染物種類眾多、成分復(fù)雜并具有一定的毒性，兩者結(jié)合易產(chǎn)生更嚴(yán)重的環(huán)境危害。徐鵬程等［28］研究了新制的微塑料和在紫外光照射下老化的微塑料對2,2#39;,4,4#39;-四漠聯(lián)苯醚(BDE-47)的吸附行為。結(jié)果表明，微塑料吸附BDE-47的過程以表面吸附為主，鹽度的影響不大，而溶解性有機(jī)質(zhì)會與微塑料和BDE-47發(fā)生相互作用，從而降低新制和老化微塑料對2,2#39;,4,4#39;-四漠聯(lián)苯醚(BDE-47)的吸附。李文華等以鄱陽湖湖口-長江段沉積物中的微塑料為研究對象，探究其與Cu、Cd、Pb、Zn和Cr等重金屬的形態(tài)及含量之間的關(guān)系。重金屬以氧化態(tài)或陽離子交換的形式吸附聚集到微塑料表面，隨著微塑料的遷移進(jìn)入土壤環(huán)境和水環(huán)境中。此外沉積物中重金屬的含量也會受微塑料的顏色、粒徑與聚合物組分等影響。微塑料作為重金屬轉(zhuǎn)移的載體之一，重金屬隨著微塑料的遷移將更大范圍地影響環(huán)境。同時，被污染的水體中含有多種微生物，這些微生物甚至具有致病性，環(huán)境中存留的微塑料經(jīng)過長時間的聚集和積累則能為這些微生物提供載體，附著在微塑料表面的微生物形成生物膜的形式。這些附著在微塑料表面的微生物會隨著微塑料的遷移入侵其他生態(tài)系統(tǒng)中，侵襲原本的微生物菌落并使其發(fā)生改變，而引起某種傳播疾病的暴發(fā)流行。微塑料的吸附行為對生物的影響極大。Trifuoggi等研究了海膽的早期胚胎發(fā)育，暴露在微塑料的海膽出現(xiàn)發(fā)育形態(tài)等缺陷、且其有絲分裂異常情況顯著增加。Schrank等發(fā)現(xiàn)柔性聚氯乙烯(PVC)對大型水蚤的形態(tài)、代謝率及后代生長率和數(shù)量都有影響。四、結(jié)語隨著全球經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，塑料的使用量與日俱增，其大量的丟棄已對自然環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。目前有關(guān)微塑料吸附行為的研究還主要集中在研究其分布情況，較少研究其吸附性等化學(xué)性質(zhì)，不能很好地詮釋自然狀態(tài)下微塑料與其他污染物相互作用的關(guān)系。研究微塑料的吸附行為有助于為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期分析各種影響因素對其吸附效果的作用和微塑料吸附污