土壤中微塑料和重金属的复合污染：原理及过程.pdf

农 业 环 境 科 学 学 报 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 径 小 于 5 m m 的 塑 料 碎 片 或 颗 粒 主 要 为 塑 料 制 品 通 过 环 境 中 物 理 化 学 及 生 物 作 用 裂 解 而 成 1 常 见 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 态 上 可 分 为 碎 片 颗 粒 纤 维 和 薄 膜 状 等 1 2 0 2 2 年 生 态 环 境 部 首 次 将 微 塑 料 和 持 久 性 有 机 污 染 物 内 分 泌 干 扰 物 抗 生 素 共 同 界 定 为 国 际 上 广 泛 关 注 的 四 大 类 新 污 染 物 2 有 关 微 塑 料 的 早 期 研 究 主 要 集 中 于 海 洋 环 境 中 3 但 近 年 来 的 研 究 指 出 陆 地 作 为 塑 料 制 品 生 产 的 源 头 与 重 要 汇 集 地 微 塑 料 污 染 比 海 洋 更 加 普 曹 可 刘 雪 松 苏 海 磊 等 土 壤 中 微 塑 料 和 重 金 属 的 复 合 污 染 原 理 及 过 程 J 农 业 环 境 科 学 学 报 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 属 的 复 合 污 染 原 理 及 过 程 曹 可 刘 雪 松 苏 海 磊 王 凡 凡 季 宁 宁 沈 亚 琴 赵 文 思 魏 源 中 国 环 境 科 学 研 究 院 环 境 基 准 与 风 险 评 估 国 家 重 点 实 验 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 录 用 日 期 2 0 2 3 0 2 1 0 作 者 简 介 曹 可 1 9 9 8 男 河 南 新 乡 人 硕 士 研 究 生 主 要 从 事 新 污 染 物 复 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 项 目 广 东 省 环 保 专 项 资 金 项 目 粤 财 资 环 2 0 2 2 1 8 号 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 够 与 重 金 属 污 染 物 结 合 形 成 复 合 污 染 从 而 改 变 单 一 污 染 物 的 环 境 行 为 和 毒 性 效 应 对 土 壤 生 态 系 统 造 成 严 重 危 害 目 前 人 们 对 微 塑 料 和 重 金 属 的 复 合 毒 性 效 应 及 其 形 成 原 理 污 染 过 程 的 了 解 还 十 分 有 限 本 文 综 述 了 土 壤 环 境 中 微 塑 料 和 重 金 属 的 复 合 环 境 行 为 讨 论 了 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 解 吸 原 理 和 过 程 梳 理 了 土 壤 环 境 中 微 塑 料 和 重 金 属 的 迁 移 和 转 化 总 结 了 有 关 二 者 复 合 毒 性 效 应 的 最 新 研 究 进 展 最 后 对 未 来 相 关 工 作 提 出 展 望 以 期 为 微 塑 料 和 重 金 属 的 复 合 毒 性 研 究 提 供 参 考 关 键 词 微 塑 料 重 金 属 复 合 毒 性 环 境 行 为 土 壤 中 图 分 类 号 X 5 3 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 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农 业 环 境 科 学 学 报 第 4 2 卷 第 8 期 遍 其 丰 度 可 能 是 海 洋 中 的 4 2 3 倍 4 微 塑 料 在 土 壤 中 能 够 发 生 多 种 化 学 过 程 并 对 土 壤 及 土 壤 生 物 产 生 多 种 影 响 此 外 微 塑 料 可 与 土 壤 中 的 其 他 污 染 物 结 合产 生复 合效 应 1 使其 环境 效应 变得 更加 复杂 由于 早 期 工 业 排 放 交 通 污 染 垃 圾 处 置 不 当 等 原 因 我 国 土 壤 面 临 着 严 重 的 重 金 属 污 染 2 0 1 4 年 发 布 的 全 国 土 壤 污 染 状 况 调 查 公 报 显 示 我 国 土 壤 污 染 超 标 率 达 1 6 1 我 国 受 微 塑 料 污 染 影 响 的 区 域 常 与 重 金 属 污 染的 分布 相重 合 5 而微 塑料 与重 金属 之间 的相 互结 合 可使 污染 物原 有的 危害 显著 提升 1 并使 生态 安全 与环 境 风 险 评 估 面 临 新 的 挑 战 因 此 本 文 对 土 壤 环 境 中 微 塑 料 与 重 金 属 间 的 相 互 作 用 迁 移 转 化 及 其 复 合 毒 性 效 应 进 行 了 系 统 性 的 综述 梳理了微塑料与重金属复合污染的原理及过程 以期为微塑料和重金属的复合毒性研究提供参考 1 微 塑 料 和 重 金 属 的 相 互 作 用 1 1 微 塑 料 对 重 金 属 污 染 物 的 吸 附 与 解 吸 1 1 1 吸 附 解 吸 机 制 微 塑 料 因 其 良 好 的 吸 附 性 能 而 被 视 为 多 种 环 境 介 质 中 重 金 属 离 子 的 重 要 载 体 静 电 引 力 是 微 塑 料 吸 附 重 金 属 的 主 要 机 制 如 表 面 呈 电 负 性 的 微 塑 料 易 通 过 静 电 作 用 吸 附 C u 2 C d 2 P b 2 等 重 金 属 阳 离 子 6 化 学 键 合 作 用 是 微 塑 料 吸 附 重 金 属 的 另 一 项 机 制 7 微 塑 料 表 面 的 一 些 官 能 团 可 与 重 金 属 离 子 通 过 化 学 键 结 合 如 P V C 表 面 的 卤 素 原 子 8 P S 表 面 的 键 9 聚 酰 胺 P A 表 面 的 酰 胺 基 1 0 等 对 重 金 属 离 子 都 有 较 高 的 亲 和 力 此 外 重 金 属 离 子 与 微 塑 料 表 面 的 含 氧 官 能 团 发 生 结 合 时 重 金 属 离 子 可 占 据 含 氧 基 团 中 O 的 位 点 从 而 使 二 者 吸 附 得 更 加 牢 固 1 1 在 土 壤 环 境 中 污 染 物 间 的 吸 附 解 吸 行 为 同 时 存 在 当 吸 附 了 重 金 属 污 染 物 的 微 塑 料 颗 粒 发 生 迁 移 或 环 境 条 件 发 生 改 变 时 解 吸 出 的 污 染 物 可 能 造 成 新 的 环 境 风 险 酸 性 土 壤 中 大 量 H 使 微 塑 料 表 面 质 子 化 产 生 的 静 电 排 斥 作 用 极 易 使 H g 2 1 2 C d 2 1 3 C u 2 Z n 2 1 4 等 金 属 阳 离 子 重 新 解 吸 出 来 在 土 壤 溶 液 中 含 硫 含 氧 基 团 对 重 金 属 的 亲 和 及 C a 2 M g 2 在 微 塑 料 表 面 的 竞 争 吸 附 是 发 生 解 吸 的 主 要 机 制 1 2 此 外 还 有 研 究 显 示 微 塑 料 可 以 通 过 改 变 土 壤 理 化 性 质 间 接 促 进 重 金 属 从 微 塑 料 上 解 吸 出 来 并 转 化 为 更 稳 定 的 有 机 结 合 态 1 5 1 1 2 反 应 动 力 学 模 型 和 吸 附 等 温 线 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 行 为 通 常 可 以 用 准 二 级 反 应 动 力 学 模 型 描 述 1 6 这 表 明 微 塑 料 表 面 有 丰 富 的 活 性 位 点 吸 附 的 限 速 步 骤 是 化 学 吸 附 包 括 重 金 属 和 微 塑 料 间 发 生 的 络 合 配 位 螯 合 共 享 或 交 换 电 子 等 过 程 1 7 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 等 温 线 多 数 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 间 通 常 发 生 物 理 和 化 学 的 单 层 均 相 或 非 均 相 吸 附 然 而 也 有 研 究 发 现 H e n r y 模 型 和 T e m k i n 模 型 也 可 以 很 好 地 拟 合 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 过 程 L a n g 等 1 9 发 现 老 化 后 的 P S 对 C d 2 的 吸 附 符 合 H e n r y 模 型 G u o 等 2 0 报 道 T e m k i n 模 型 是 拟 合 P A P S P P 和 S r 2 之 间 吸 附 过 程 的 最 佳 模 型 并 推 测 多 层 吸 附 是 其 主 要 机 制 因 此 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 机 制 因 微 塑 料 和 重 金 属 的 类 型 与 性 质 不 同 而 具 有 特 异 性 且 常 是 物 理 吸 附 和 化 学 吸 附 单 层 吸 附 和 多 层 吸 附 同 时 发 生 1 8 1 1 3 吸 附 解 吸 的 影 响 因 素 影 响 微 塑 料 对 重 金 属 吸 附 和 解 吸 行 为 的 因 素 主 要 包 括 微 塑 料 的 性 质 重 金 属 的 性 质 和 土 壤 环 境 条 件 3 个 方 面 图 1 不 同 微 塑 料 的 结 构 特 征 带 电 性 及 其 表 面 官 能 团 存 在 差 异 不 同 制 备 工 艺 的 聚 合 物 分 子 链 排 列 紧 密 程 度 也 不 同 从 而 影 响 了 微 塑 料 的 亲 疏 水 性 质 使 其 对 重 金 属 的 吸 附 能 力 存 在 显 著 差 异 2 1 例 如 氯 化 聚 乙 烯 C P E P V C 含 有 的 C l 增 强 了 材 料 表 面 的 电 负 性 使 其 对 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 亲 水 性 使 其 对 C d 2 1 1 与 C u 2 2 3 的 吸 附 显 著 高 于 其 他 种 类 的 微 塑 料 如 P E P S P V C 等 P P 表 面 金 属 离 子 的 有 效 吸 附 位 点 比 P E 更 多 因 此 同 等条件下 P P 对 C u 2 和 Z n 2 的吸附量比 P E 更大 2 4 微 塑 料 颗 粒 的 形 貌 也 对 重 金 属 的 吸 附 有 较 大 影 响 微 塑 料 的 粒 径 越 小 比 表 面 积 越 大 对 重 金 属 的 吸 附 能 力 越 强 2 5 反 之 较 大 粒 径 的 微 塑 料 则 会 促 进 重 金 属 在 其 表 面 和 土 壤 环 境 中 的 解 吸 2 6 其 次 微 塑 料 的 结 晶 度 表 面 粗 糙 度 形 状 等 也 会 对 重 金 属 的 吸 附 和 解 吸 产 生 影 响 2 7 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 解 吸 也 受 重 金 属 性 质 的 影 响 首 先 金 属 离 子 和 微 塑 料 间 静 电 作 用 的 强 弱 和 金 属 元 素 本 身 的 性 质 有 关 如 C u 2 比 Z n 2 的 电 负 性 更 强 离 子 半 径 更 小 因 此 C u 2 和 微 塑 料 表 面 的 静 电 引 力 作 用 较 大 使 P P 和 P E 对 C u 2 的 吸 附 量 大 于 Z n 2 2 4 其 次 重 金 属 在 环 境 中 常 见 形 态 的 不 同 也 会 影 响 其 和 微 塑 料 的 结 合 能 力 例 如 与 P b 2 相 比 C u 2 在 水 溶 液 中 易 形 成 水 合 离 子 同 时 产 生 的 强 酸 弱 碱 盐 极 易 水 解 1 6 7 6曹 可 等 土 壤 中 微 塑 料 和 重 金 属 的 复 合 污 染 原 理 及 过 程 2 0 2 3 年 8 月 w w w a e s o r g c n 影 响 了 C u 2 与 微 塑 料 的 结 合 能 力 使 C u 2 与 P V C P P P E P A 的 结 合 能 力 均 弱 于 P b 2 2 8 C r 与 C r 在 P E 和 P P 表 面 均 是 通 过 离 子 配 位 与 塑 料 分 子 上 的 甲 基 或 亚 甲 基 结 合 但 C r 在 酸 性 条 件 下 与 水 分 子 形 成 络 合 物 减 弱 了 C r 与 甲 基 亚 甲 基 的 配 位 能 力 而 C r 形 成 酸 根 阴 离 子 对 配 位 能 力 影 响 较 小 从 而 使 C r 的 吸 附 率 高 于 C r 2 9 除 微 塑 料 和 重 金 属 本 身 的 性 质 外 土 壤 环 境 条 件 也 可 显 著 影 响 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 解 吸 例 如 土 壤 中 的 H 和 碱 土 金 属 离 子 如 C a 2 M g 2 可 占 据 微 塑 料 表 面 的 吸 附 位 点 与 P b 2 C u 2 Z n 2 等 重 金 属 阳 离 子 产 生 竞 争 吸 附 直 接 影 响 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 水 平 7 3 0 3 1 土 壤 中 的 低 分 子 有 机 酸 如 苹 果 酸 柠 檬 酸 可 通 过 与 重 金 属 络 合 改 变 微 塑 料 表 面 吸 附 点 位 数 量 等 方 式 促 使 重 金 属 从 微 塑 料 表 面 解 吸 出 来 并 转 化 为 更 稳 定 的 结 合 态 1 5 3 1 此 外 还 有 研 究 显 示 长 期 种 植 蔬 菜 的 土 壤 中 更 容 易 发 生 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 3 2 但 相 关 机 制 还 有 待 进 一 步 揭 示 除 直 接 影 响 微 塑 料 与 重 金 属 的 结 合 外 环 境 条 件 还 可 通 过 使 微 塑 料 发 生 老 化 进 而 改 变 微 塑 料 的 大 小 形 貌 及 表 面 官 能 团 等 性 质 来 影 响 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 在 老 化 过 程 中 微 塑 料 发 生 了 破 碎 氧 化 和 无 规 则 的 断 链 表 面 变 得 粗 糙 结 晶 度 改 变 并 逐 步 由 高 分 子 向 低 分 子 转 化 进 而 形 成 了 一 些 新 的 饱 和 及 不 饱 和 的 含 氧 官 能 团 3 3 这 些 含 氧 官 能 团 的 增 加 可 能 归 因 于 塑 料 上 的 C H 键 在 老 化 条 件 作 用 下 断 裂 后 与 氧 反 应 形 成 的 过 氧 自 由 基 C O 这 些 过 氧 自 由 基 可 以 从 周 围 环 境 中 吸 收 氢 原 子 形 成 过 氧 化 氢 基 团 C O O H 并 进 一 步 分 解 为 其 他 产 物 C O C O H O C O 3 3 这 些 官 能 团 的 出 现 常 可 以 增 强 微 塑 料 对 环 境 中 重 金 属 的 结 合 能 力 并 使 吸 附 络 合 在 其 表 面 的 重 金 属 更 难 发 生 解 吸 3 3 3 4 例 如 在 真 实 环 境 中 紫 外 光 可 老 化 表 层 土 壤 中 的 微 塑 料 增 大 其 比 表 面 积 并 在 表 面 形 成 羰 基 官 能 团 提 高 其 对 C u 2 Z n 2 等 重 金 属 的 吸 附 能 力 3 4 在 中 深 层 土 壤 环 境 中 微 塑 料 颗 粒 可 发 生 化 学 和 生 物 老 化 如 F e n t o n 氧 化 微 生 物 降 解 等 1 9 造 成 与 紫 外 光 老 化 相 似 的 效 果 进 而 显 著 增 强 其 对 重 金 属 的 吸 附 能 力 3 5 1 2 微 塑 料 与 重 金 属 复 合 体 的 环 境 行 为 微 塑 料 作 为 一 类 不 易 生 物 降 解 的 污 染 物 可 长 期 存 在 于 土 壤 中 并 在 土 壤 不 同 组 分 间 迁 移 因 此 微 塑 料 与 重 金 属 的 结 合 可 使 重 金 属 随 微 塑 料 在 土 壤 中 迁 移 并 向 土 壤 深 层 甚 至 地 下 水 中 转 移 进 一 步 加 剧 各 自 的 环 境 风 险 3 6 图 2 1 2 1 土 壤 环 境 中 微 塑 料 的 迁 移 转 化 和 归 趋 微 塑 料 在 土 壤 中 的 迁 移 从 距 离 上 可 分 为 短 距 离 传 播 与 长 距 离 传 播 而 从 迁 移 方 向 上 可 分 为 水 平 迁 移 与 垂 直 迁 移 生 物 扰 动 和 农 业 活 动 是 微 塑 料 进 行 短 距 离 传 播 的 主 要 方 式 而 长 距 离 传 播 主 要 通 过 地 表 径 流 和 土 壤 侵 蚀 3 7 土 壤 中 微 塑 料 的 水 平 迁 移 受 土 壤 生 图 1 土 壤 环 境 中 重 金 属 在 微 塑 料 表 面 吸 附 解 吸 的 影 响 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农 业 环 境 科 学 学 报 第 4 2 卷 第 8 期 物 群 活 动 及 土 壤 性 质 的 影 响 而 耕 作 收 获 和 生 物 扰 动 是 造 成 微 塑 料 在 土 壤 中 垂 直 迁 移 的 主 要 原 因 3 8 此 外 同 一 因 素 可 对 微 塑 料 的 迁 移 产 生 多 种 影 响 例 如 蚯 蚓 体 内 富 集 的 微 塑 料 颗 粒 能 通 过 蚯 蚓 的 排 泄 和 死 亡 等 方 式 扩 散 到 其 他 区 域 3 9 同 时 蚯 蚓 活 动 所 形 成 的 土 壤 孔 隙 也 能 促 进 土 壤 表 层 的 微 塑 料 向 更 深 层 土 壤 转 移 3 8 植 物 侧 根 生 长 过 程 中 形 成 的 间 隙 可 成 为 植 物 周 围 土 壤 中 纳 米 至 微 米 级 塑 料 2 m 进 入 植 物 体 内 的 入 口 而 在 蒸 腾 拉 力 的 作 用 下 植 物 体 内 地 下 部 的 微 塑 料 可 迁 移 至 植 物 的 地 上 部 并 随 着 收 割 而 离 开 土 壤 环 境 4 0 4 1 在 降 水 活 动 的 影 响 下 土 壤 中 的 微 塑 料 颗 粒 受 重 力 沉 降 作 用 可 进 一 步 向 深 层 土 壤 转 移 同 时 降 水 活 动 形 成 的 地 表 径 流 可 使 微 塑 料 向 其 他 区 域 或 环 境 介 质 转 移 4 2 在 农 田 土 壤 中 这 一 过 程 常 受 到 土 壤 质 地 离 子 强 度 溶 解 性 有 机 质 D O M 特 别 是 农 田 有 机 品 投 入 秸 秆 还 田 有 机 肥 施 用 生 物 炭 土 壤 改 良 等 释 放 的 D O M 的 影 响 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 匀 的 农 田 土 壤 中 的 保 留 量 比 在 高 纯 度 石 英 砂 中 更 大 M a 等 4 4 发 现 不 同 种 类 的 D O M 对 不 同 粒 径 纳 米 塑 料 在 多 孔 介 质 上 的 垂 直 传 输 具 有 选 择 性 这 可 能 导 致 粒 径 较 大 的 纳 米 塑 料 不 断 向 土 壤 深 层 迁 移 而 粒 径 较 小 者 则 长 期 保 留 在 耕 作 层 中 从 而 增 大 微 塑 料 及 其 负 载 的 污 染 物 对 作 物 及 人 体 暴 露 的 风 险 此 外 自 然 环 境 中 生 物 膜 的 存 在 也 会 增 强 微 塑 料 在 土 壤 中 沉 积 减 少 其 在 陆 地 系 统 中 的 迁 移 和 传 输 4 5 微 塑 料 在 土 壤 环 境 中 会 经 历 一 系 列 复 杂 的 物 理 化 学 生 物 作 用 并 发 生 相 应 的 转 化 土 壤 表 层 的 微 塑 料 在 紫 外 线 辐 射 和 热 氧 化 作 用 下 发 生 老 化 可 增 加 微 塑 料 表 面 粗 糙 度 形 成 新 的 表 面 官 能 团 并 可 破 碎 成 更 小 的 微 塑 料 颗 粒 1 9 4 6 中 深 层 土 壤 中 土 壤 动 物 与 微 生 物 可 驱 动 微 塑 料 降 解 并 产 生 短 链 片 段 在 更 深 层 的 无 光 厌 氧 土 壤 环 境 中 微 塑 料 还 可 作 为 土 壤 微 生 物 生 长 的 碳 源 被 分 解 利 用 3 8 除 直 接 作 用 外 土 壤 动 物 也 可 间 接 促 进 微 塑 料 的 生 物 降 解 研 究 发 现 经 由 陆 正 蚓 L t e r r e s t r i s 代 谢 释 放 的 微 塑 料 碎 片 易 被 生 态 冠 生 物 膜 或 土 壤 衍 生 的 有 机 和 无 机 大 分 子 包 围 进 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 归 趋 通 常 认 为 土 壤 和 沉 积 物 是 环 境 中 微 塑 料 最 重 要 也 是 最 终 的 汇 与 水 体 和 大 气 环 境 不 同 进 入 土 壤 环 境 中 的 微 塑 料 流 动 性 差 可 能 在 各 种 天 然 有 机 质 如 多 糖 胡 敏 酸 富 里 酸 等 的 作 用 下 被 土 壤 团 聚 体 包 裹 而 发 生 聚 集 和 沉 积 4 7 外 力 作 用 如 湿 沉 降 水 径 流 和 生 物 扰 动 等 也 能 够 促 进 微 塑 料 在 土 壤 中 的 聚 集 4 2 粒 径 大 密 度 低 的 微 塑 料 更 倾 向 于 悬 浮 在 土 壤 或 沉 积 物 表 图 2 土 壤 环 境 中 微 塑 料 对 重 金 属 的 吸 附 和 共 迁 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 属 的 复 合 污 染 原 理 及 过 程 2 0 2 3 年 8 月 w w w a e s o r g c n 层 而 尺 寸 越 小 密 度 越 大 的 微 纳 米 塑 料 则 越 容 易 在 重 力 作 用 和 生 物 活 动 的 影 响 下 沉 积 到 土 壤 中 甚 至 长 期 停 留 在 土 壤 深 层 或 地 下 水 环 境 中 4 8 1 2 2 重 金 属 在 土 壤 中 的 迁 移 转 化 重 金 属 在 土 壤 中 的 迁 移 转 化 规 律 已 被 人 们 所 熟 知 土 壤 中 的 重 金 属 离 子 或 络 离 子 不 易 随 水 淋 滤 但 可 以 通 过 一 系 列 物 理 化 学 过 程 在 水 平 和 垂 直 方 向 上 迁 移 4 9 土 壤 重 金 属 的 迁 移 机 理 主 要 包 括 通 过 专 性 或 非 专 性 吸 附 与 土 壤 无 机 胶 体 结 合 通 过 络 合 螯 合 或 表 面 吸 附 与 土 壤 有 机 胶 体 结 合 通 过 溶 解 沉 淀 作 用 在 土 壤 固 液 相 之 间 迁 移 通 过 氧 化 还 原 作 用 进 行 迁 移 等 5 0 其 中 土 壤 胶 体 作 为 土 壤 中 最 活 跃 的 组 分 对 土 壤 重 金 属 的 迁 移 起 到 关 键 作 用 粒 径 过 大 的 胶 体 产 生 的 位 阻 效 应 和 不 可 移 动 胶 体 对 重 金 属 的 吸 附 络 合 可 以 阻 滞 重 金 属 在 土 壤 中 的 迁 移 而 当 优 先 流 大 孔 隙 或 裂 缝 存 在 时 可 移 动 的 土 壤 胶 体 又 能 通 过 易 化 迁 移 加 快 重 金 属 向 土 壤 深 层 及 地 下 水 的 传 输 速 度 负 载 着 其 他 污 染 物 的 土 壤 胶 体 还 能 驱 动 重 金 属 和 有 机 污 染 物 微 塑 料 等 的 共 迁 移 显 著 改 变 单 一 污 染 物 的 迁 移 能 力 和 生 物 有 效 性 5 1 土 壤 环 境 中 的 重 金 属 以 多 种 形 态 存 在 重 金 属 的 不 同 形 态 决 定 了 其 在 土 壤 中 的 迁 移 能 力 及 环 境 效 应 4 9 土 壤 重 金 属 形 态 转 化 机 理 主 要 包 括 化 学 作 用 驱 动 的 转 化 如 土 壤 p H 有 机 质 土 壤 胶 体 发 生 改 变 时 土 壤 电 解 质 的 平 衡 状 态 被 破 坏 使 重 金 属 的 存 在 形 态 也 发 生 变 化 生 命 活 动 驱 动 的 转 化 如 生 物 对 特 定 重 金 属 元 素 的 吸 收 和 外 排 等 5 2 1 2 3 微 塑 料 对 重 金 属 迁 移 的 影 响 微 塑 料 可 在 土 壤 中 进 行 迁 移 并 可 沿 食 物 链 进 行 传 递 4 1 5 3 5 4 基 于 微 塑 料 与 重 金 属 的 相 互 作 用 微 塑 料 必 然 会 驱 动 重 金 属 在 土 壤 及 食 物 链 中 的 传 递 部 分 研 究 调 查 了 多 孔 介 质 中 微 塑 料 与 重 金 属 的 迁 移 表 明 微 塑 料 对 重 金 属 迁 移 的 影 响 随 环 境 因 素 与 微 塑 料 粒 径 的 变 化 而 变 化 Y a o 等 5 5 发 现 中 性 条 件 下 纳 米 塑 料 对 多 孔 介 质 表 面 吸 附 位 点 的 竞 争 导 致 介 质 对 T l 的 吸 附 能 力 减 弱 从 而 加 速 了 T l 在 水 饱 和 多 孔 介 质 中 的 传 输 但 酸 性 条 件 下 沉 积 在 介 质 表 面 的 纳 米 塑 料 则 为 T l 提 供 了 更 多 吸 附 位 点 导 致 T l 的 移 动 性 受 到 抑 制 L i 等 5 6 的 研 究 表 明 纳 米 塑 料 2 0 n m 与 氧 化 铁 的 吸 附 络 合 对 多 孔 介 质 上 沉 积 位 点 的 竞 争 及 悬 浮 纳 米 塑 料 引 起 的 空 间 位 阻 效 应 共 同 促 进 了 二 者 在 水 饱 和 多 孔 介 质 中 的 传 输 而 较 大 粒 径 的 微 塑 料 2 m 会 吸 附 在 氧 化 铁 表 面 并 提 供 额 外 的 沉 积 位 点 导 致 二 者 在 多 孔 介 质 中 的 传 输 受 到 抑 制 以 上 研 究 提 示 了 环 境 中 的 微 塑 料 会 影 响 重 金 属 在 土 壤 系 统 中 的 迁 移 其 过 程 和 结 果 取 决 于 介 质 对 微 塑 料 的 吸 附 介 质 对 重 金 属 的 吸 附 以 及 微 塑 料 和 重 金 属 间 的 相 互 吸 附 等 多 种 复 杂 因 素 总 体 来 说 微 塑 料 的 迁 移 可 以 促 进 重 金 属 的 迁 移 而 微 塑 料 的 阻 塞 或 滞 留 也 会 使 重 金 属 的 迁 移 受 到 抑 制 此 外 现 有 研 究 均 使 用 玻 璃 珠 高 纯 度 石 英 砂 等 模 拟 多 孔 介 质 在 实 际 的 土 壤 环 境 中 土 壤 质 地 粒 度 分 布 土 壤 胶 体 D O M 以 及 其 他 污 染 物 的 存 在 均 会 影 响 二 者 的 共 迁 移 其 环 境 效 应 和 机 理 机 制 有 待 进 一 步 研 究 揭 示 目 前 关 于 微 塑 料 对 重 金 属 在 食 物 链 中 迁 移 影 响 的 研 究 还 非 常 有 限 A b b a s i 等 5 7 发 现 聚 P E T 颗 粒 可 作 为 载 体 将 P b C d 和 Z n 运 输 到 小 麦 的 根 际 区 并