典型塑料添加剂在土壤-植物系统中的迁移特征研究.pdf

第 45 卷第 9 期 2025 年 9 月 Vol 45 No 9 Sept 2025 环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae Circumstantiae 典 型 塑 料 添 加 剂 在 土 壤 植 物 系 统 中 的 迁 移 特 征 研 究 王 淑 萍 许 瑞 茜 倪 好 华 刘 惠 君 李 志 恒 浙 江 工 商 大 学 环 境 科 学 与 工 程 学 院 杭 州 310018 摘 要 农田土壤中微塑料分布广泛 微塑料作为源头 在老化过程中会释放大量内源性添加剂进入土壤 导致部分农田正面临塑料添加剂的污 染 因此 本研究以苯并三唑类紫外线吸收剂和邻苯二甲酸酯类增塑剂为典型塑料添加剂 分析其在土壤 植物系统中的界面迁移行为 结果 表明 在土壤吸附塑料添加剂的过程中 土壤有机质起主导作用 土壤有机质含量与吸附能力呈正相关 线性模型 R 2 0 98 土壤中的蒙脱石 因多孔结构和高比表面积 吸附效能显著高于高岭石 在根基材料吸附塑料添加剂的过程中 根系脂质可通过疏水作用主导塑料添加剂的 吸附 脂质去除后吸附量下降 40 纤维素多孔结构通过物理吸附辅助固持污染物 另外 根系有机酸抑制其吸附 果糖则可增强其疏水分配 作用 土壤中水溶态 酸溶态塑料添加剂含量与叶部积累水平显著相关 根系生物富集因子与塑料添加剂的 logK ow 值呈正相关 p 0 01 说明 高疏水性添加剂易滞留根系 转移因子与 logK ow 值呈负相关 p 0 01 说明地上部积累受限 本研究揭示了塑料添加剂在土壤 植物系统的迁 移特征 为其生态风险评估与修复提供理论支撑 关 键 词 塑料添加剂 土壤 植物 吸附 生物积累 文 章 编 号 0253 2468 2025 09 0413 13 中 图 分 类 号 X53 文 献 标 识 码 A Migration characteristics of typical plastic additives in soil plant system WANG Shuping XU Ruixi NI Haohua LIU Huijun LI Zhiheng School of Environmental Science and Engineering Zhejiang Gongshang University Hangzhou 310018 Abstract Microplastics are pervasively present in agricultural soils where they act as a persistent reservoir of endogenous additives released through aging processes It has led to widespread contamination of farmlands with additives derived from plastics In this study we conducted a systematic investigation into the interfacial adsorption and transport characteristics of two representative plastic additives benzotriazole ultraviolet absorbers and phthalate plasticizers in the soil plant continuum Results indicated that soil organic matter SOM played a crucial role in the adsorption process of plastic additives A strong positive correlation was observed between SOM content and adsorption capacity of plastic additives as evidenced by an R 2 value exceeding 0 98 in linear regression A comparative analysis further revealed that montmorillonite exhibited higher adsorption efficiency compared to kaolinite primarily due to its superior porosity and larger specific surface area On the root interface hydrophobic interactions mediated by root lipids were identified as the predominant adsorption mechanism for plastic additives And the lipid extraction led to a 40 reduction in adsorption amounts of plastic additives Specifically the porous cellulose matrix in roots also contributed to the physical immobilization of contaminants Besides the organic acids and fructose in root exudates demonstrated the combined effects Notably the significant correlations were found between the bioavailability of these additives in soils as measured by water acid soluble fractions and their accumulation levels in plant foliage The root bioconcentration factor exhibited a positive correlation with logK ow values p 0 01 suggesting that the preferential retention of highly hydrophobic additives in roots Conversely the translocation factor showed an inverse relationship with logK ow p 0 01 suggesting the restricted aerial transport of these contaminants These findings would provide valuable mechanistic insights into the fate and transport of plastic additives in agricultural ecosystems laying a scientific foundation for the assessment of ecological risk and soil remediation Keywords plastic additives soil plants adsorption bio accumulation 1 引 言 Introduction 微塑料广泛存在于农田土壤中 且作为源头 其在老化过程中会释放大量内源性添加剂进入土壤 导致 DOI 10 13671 j hjkxxb 2025 0120 王淑萍 许瑞茜 倪好华 等 2025 典型塑料添加剂在土壤 植物系统中的迁移特征研究 J 环境科学学报 45 9 413 425 WANG Shuping XU Ruixi NI Haohua et al 2025 Migration characteristics of typical plastic additives in soil plant system J Acta Scientiae Circumstantiae 45 9 413 425 收 稿 日 期 2025 02 19 修 回 日 期 2025 04 12 录 用 日 期 2025 04 14 基 金 项 目 国家自然科学基金 No 22106138 42177265 浙江省属高校基本科研业务费专项资金资助项目 No QRK22003 作 者 简 介 王淑萍 2000 女 E mail 1848278308 责 任 作 者 E mail leezh0621 环 境 科 学 学 报 45 卷 部分农田正面临塑料添加剂的污染 Chen et al 2021 Niroshika et al 2023 目前 农田土壤中广泛检测到苯 并三唑类紫外线吸收剂 Benzotriazole Ultraviolet Absorbers BUAs 和邻苯酸酯类增塑剂 Phthalic Acid Esters PAEs 尤其是地膜覆盖的农田土壤中这些添加剂的含量显著高于未覆膜土壤 Chen et al 2020 另外 大棚 内土壤中溴化阻燃剂和溴化百里酚抗氧化剂的含量比大棚外土壤高出几个数量级 Amina et al 2018 以上 研究表明 地膜作为土壤中微塑料的重要来源 其残留物可能成为农田土壤中塑料添加剂的主要污染源 且 中国农用塑料薄膜使用量自 2000 2016 年从 133 万 t 增至 260 万 t Zhou et al 2020 在根 土壤系统中 多种 共存组分 如矿物 有机质和植物根系 对塑料添加剂的吸附行为具有重要影响 当塑料添加剂进入土壤时 其吸附行为主要受土壤有机质的主导 Wen et al 2011 Zou 等 2007 通过对单个溴化二苯醚同系物或 9 种 多溴二苯醚含量与总有机碳含量进行相关分析 发现两者之间存在显著相关性 同样地 土壤矿物的作用同 样不容忽视 蒙脱石能够形成薄而柔韧的薄膜 紧密覆盖在微塑料表面 从而增强土壤对微塑料的吸附能力 Jie et al 2021 相比之下 高岭石的薄片较厚且硬 与微塑料的接触有限 导致粘合不稳定 吸附效果相对 较弱 Hou et al 2024 植物根系因其多孔结构和巨大的比表面积 能够在组织表面吸附塑料添加剂 从而促 进塑料添加剂从农田土壤向植物的迁移 Li et al 2009 Rosa et al 2023 另外 根系细胞壁由多糖 如纤维 素 半纤维素 果胶等 蛋白质和木质素组成 这些成分在吸附和累积疏水性化合物方面也发挥着关键作用 Qing et al 2022 Wang et al 2024 据报道 细胞壁中的木质素和芳香族化合物中的大芳香族碳成分 通过 疏水分配相互作用 电子供体 受体相互作用及极化效应 可能在吸附和积累疏水性化合物过程中起着重 要作用 Wang et al 2024 据报道 塑料聚合物及其添加剂的迁移受吸附剂特性 结晶度 孔隙度等 吸附质 性质 分子量 疏水性等 及环境介质条件 pH 值 含水率 溶解性有机质 的共同影响 Shareef et al 2005 Fang et al 2019 Bingxin et al 2021 Thomas et al 2023 Ankur et al 2023 综上所述 塑料添加剂在环境中的特洛伊木马效应揭示了添加剂在土壤中的积累是一个动态且复杂的 过程 其在土壤 植物系统的分配和迁移行为主要受吸附的影响 Geoffrey et al 1989 Para ba et al 2008 然 而 植物 土壤体系中塑料添加剂的吸附特征目前尚不明确 且相关研究报道主要集中在土 水体系 Yang et al 2013 戴金娥等 2015 据报道 小麦作为覆膜农区主栽品种的典型性作物 导致塑料添加剂暴露风险显 著 并且相较于双子叶植物 如大豆 小麦的单子叶特性使其根系表皮细胞排列更紧密 可能增强对脂溶性 添加剂的吸附能力 Wendel et al 2022 Sun et al 2024 基于此 本研究通过设置批量吸附实验和盆栽实验 以小麦为受试对象 选择农田环境中检测频率较高 的 BUVs 和 PAEs 为典型塑料添加剂 制备土壤和根组织等吸附材料 利用拟一级动力学吸附模型和等温吸 附模型模拟塑料添加剂在土壤 植物系统中的吸附过程 探究不同环境因子 土水比 有机质 土壤矿物 pH 溶解性有机质 对其吸附过程的影响 旨在通过盆栽实验验证塑料添加剂在土壤 植物系统的累积特征和迁 移规律 以了解塑料添加剂在土壤环境中的潜在生态风险 2 材 料 与 方 法 Materials and methods 2 1 材 料 制 备 与 表 征 从 Sigma Aldrich 公司购买 2 2H 苯并三唑 2 基 4 6 二叔戊基苯酚 2 2H Benzotriazol 2 yl 4 6 di tert pentylphenol UV 328 纯度 98 和 2 2 羟基 5 甲基苯基 苯并三唑 2 2 Hydroxy 5 methylphenyl benzotriazole UV P 纯度 99 作为典型 BUVs 邻苯二甲酸二丁酯 Dibutyl phthalate DBP 纯度 98 和邻 苯二甲酸二 2 乙基己基 酯 Bis 2 ethylhexyl phthalate DEHP 纯度 98 作为典型 PAEs UV 328 UV P DBP DEHP 用于后续实验 其中 氘代 DEHP d4 DEHP 购自 Sigma Aldrich 纯度 98 作为内标 采集杭州农田 120 39 E 30 31 N 种植区表层土壤 经自然风干后球磨粉碎过 100 目筛 供试土壤理化 性质如表 1 所示 为消除有机质干扰 部分样品于马弗炉中 600 煅烧 12 h 后冷却备用 Yves 2016 同时 选 取伊利石和蒙脱石 Sigma Aldrich 纯度 95 作为模式矿物 原料经球磨粉碎后过 100 目筛 干燥密封保存 并对矿物形貌进行扫描电镜可视化分析 SEM ZEISS Gemini 另外 参考相关研究 Jiao et al 2007 Kumar et al 2018 Ali et al 2023 的方法并进行适当修改 选择水培 1 周后的鲁原 502 小麦 Triticum aestivum L 4149 期 王淑萍等 典型塑料添加剂在土壤 植物系统中的迁移特征研究 样品 剪切根系 经高通量组织研磨后 分别进行 超声波清洗 40 kHz 30 min 去离子水漂洗 40 鼓风 干燥 12 h 取适量根组织进行脂质去除 乙醇 甲醇 磷酸盐缓冲液 3 2 5 V V 13375 r min 1 离心 10 min 真空干燥后过 100 目筛 最终分别获得含 不含脂质的根组织材料 对材料进行 SEM X 射线衍射 XRD Bruker D8 Advance 和傅里叶变换红外光谱分析 FT IR Thermo Scientific NICOLET iS50 Wang et al 2024 2 2 批 量 吸 附 实 验 选 择 4 种 典 型 塑 料 添 加 剂 UV 328 UV P DBP DEHP 纯度 98 Sigma Aldrich 作为目标污 染物 构建土壤 植物复合吸附体系 实验组包含 3 类吸附剂 土壤基质 有 无有机质 土壤矿物 伊利石和蒙脱石 根组织材料 有 无脂质 于 20 mL 玻璃管中分别加入吸附剂 投加量经预实验确定为 10 g L 1 土 矿物材料 及 0 5 g L 1 根基材料 配制不同系列浓度污染物溶液 10 mL 溶剂为 0 01 mol L 1 氯化 钙背景电解质 与吸附材料混合 采用 0 1 mol L 1 氢氧化钠 盐酸 分析纯 将溶液 pH 分别调制为 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 0 0 2 另外 向吸附体系加入适量果糖 甲酸 苹果酸 使得溶液浓度分别为 50 25 25 mol L 1 将反应体系置于恒温振荡箱 35 0 0 5 180 r min 1 中动态吸附 15 h 预实验证实达吸附平衡 定时取样 2 mL 经 0 22 m 尼龙膜过滤后立即进行高效液相色谱 HPLC Agilent 1260 Infinity II 分析 HPLC 系 统配置如下 色谱柱为 HC C18 4 6 mm 250 mm 5 m 流动相为甲醇 乙腈 流速为 1 0 mL min 1 检测波长 为 UV 328 UV P 340 nm DBP DEHP 224 nm 每组实验设置 3 个重复及无吸附剂空白对照 2 3 吸 附 曲 线 绘 制 利用 Freundlich 式 1 Langmuir 式 2 和 Linear 式 3 模型描述典型塑料添加剂的等温吸附特征 q e K F C 1 n e 1 q e q m K L C e 1 K L C e 2 q e K d C e 3 式中 q e 为塑料添加剂在吸附剂中的平衡吸附量 C e 为溶液的平衡浓度 K F 为 Freundlich 吸附模型中与吸附容 量和吸附强度有关的常数 n 为吸附等温线非线性大小的常数 K L 为 Langmuir 吸附模型中与吸附容量和吸附 强度有关的常数 K d 为 Linear 吸附模型的分配系数 利用准一级动力学模型 式 4 准二级动力学模型 式 5 分析实验数据 q t q e 1 1 e k 1 t 4 q t q e q e t 1 k 2 q e t 5 式中 q t 和 q e 分别表示在任意时间 t min 和平衡时污染物的吸附量 mg g 1 k 1 k 2 分别表示准一级吸附速率 常数 min 1 准二级吸附速率常数 g mg 1 min 1 Deng et al 2006 rnek et al 2007 Nemr et al 2008 Riahi et al 2017 Silva et al 2018 2 4 盆 栽 实 验 采集自上述农田的土壤经风干后过 50 目筛 粒径 0 3 mm 采用正己烷 二氯甲烷混合溶剂 1 1 V V 溶 解塑料添加剂 UV 328 UV P DEHP DBP 制备 1000 mg kg 1 母土 经 24 h 通风挥干溶剂后 通过梯度稀释法 制备 1 10 100 mg kg 1 3 个浓度梯度的污染土壤 每盆装填 0 5 kg 均质土壤 调节土壤含水率至田间持水量 的 60 鲁原 502 小麦种子经 1 次氯酸钠 分析纯 表面消毒后 置于光照培养箱 20 黑暗处理 24 h 后 将 光周期调整为 16 h 光照 8 h 黑暗 光照强度为 150 mol m 2 s 1 预培养 2 周 每盆移栽 8 株幼苗 长势一致 采用 500 目尼龙网 孔径 5 m 制作根际袋 10 cm H15 cm 将幼苗垂直植入盆体中心形成根际区与非根 际区隔离体系 25 2 培养 14 d 实验设置多组处理 涵盖 4 类污染物 3 个浓度梯度 1 10 100 mg kg 1 及 空白对照 每组设 3 个生物学重复 表 1 供 试 土 壤 的 理 化 性 质 Table 1 Characterization of physicochemical parameters for test soils 土壤性质 潮土 pH 7 有机质 1 06 总氮 0 066 CEC meq 100 g 1 10 415环 境 科 学 学 报 45 卷 2 5 土 壤 塑 料 添 加 剂 的 形 态 提 取 本研究采用连续超声提取法 分析根际土和非根际土中塑料添加剂的不同形态 具体操作如下 收集根 际土和非根际土 将土壤样品经冷冻干燥后 采用连续超声提取法分离污染物形态 即 5 g 土样与 20 mL 超纯 水混合 40 kHz 超声 30 min 10700 r min 1 离心 10 min 收集上清液 用二氯甲烷进行液液萃取 1 1 V V 对 二氯甲烷溶液氮吹至尽干 正己烷定容至 1mL 得到土壤塑料添加剂的水溶态 水溶态离心得到的土壤沉淀 进一步加入人工根系分泌物 含 D 葡萄糖 D 果糖 L 半胱氨酸丝氨酸 苹果酸 4 4 1 2 pH 5 0 经重复超 声离心处理后 收集上清液进行萃取 随后氮吹至完全干燥 正己烷定容至 1 mL 得到酸溶态 酸溶态离心得 到的土壤沉淀 经冻干后 经正己烷 二氯甲烷 1 1 V V 超声提取 30 min 离心后取上清液 氮吹浓缩至完全 干燥 正己烷定容至 1mL 得到结合态 每种形态提取流程重复 3 次 浓缩液经 0 22 m 聚四氟乙烯滤膜过滤 后 采用气相色谱 质谱联用仪 GC MS Agilent 7890B 检测塑料添加剂 见 2 6 节 2 6 植 物 体 内 塑 料 添 加 剂 检 测 收集根和叶片组织 去离子水洗净 经液氮研磨后 取 1 0 g 粉末加入 10 mL 正己烷 二氯甲烷 1 1 V V 超声提取 30 min 10700 r min 1 离心 10 min 取上清液 重复 3 次后 上清液经 Florisil 柱 1 g 6 mL min 1 净化 后 氮吹浓缩尽干 正己烷定容至 1 mL 利用 GC MS 进行检测 具体方法如下 色谱柱 HP 5MS 30 m 0 25 mm 0 25 m 程序升温 50 保持 2 min 以 10 min 1 的升温速率升至 300 保持 5 min 离子源 EI 70 eV SIM 模式定量 4 种塑料添加剂的 m z 分别为 338 215 UV 328 210 183 UV P 279 167 DEHP 223 205 DBP 4 种塑料添加剂检测限为 0 5 1 2 g kg 1 其在土壤 根部和叶片中的回收率分别为 85 6 92 7 UV 328 91 3 95 7 UV P 88 2 93 1 DEHP 93 4 99 2 DBP 基于小麦体内塑料添加剂的检测结果 进行根系富集因子 RCF 式 6 地上部富集因子 SCF 式 7 和传输因子 TF 式 8 分析 RCF C root C soil 6 SCF C shoot C soil 7 TF C shoot C root 8 式中 C root 和 C shoot 分别为平衡状态下的小麦根和叶片组织含量 ng g 1 以 DW 计 C soil 为暴露后土壤中塑料 添加剂的含量 ng g 1 以 DW 计 2 7 数 据 处 理 收集上述数据 通过 SPSS 18 0 软件 SPSS Inc Chicago IL USA 进行单因素方差分析 p 0 05 表明 存在统计学上的显著差异性 使用 Origin 2021 和 Graphpad Prism 等软件做图 3 结 果 与 讨 论 Results and discussion 3 1 土 壤 组 分 影 响 下 的 塑 料 添 加 剂 吸 附 行 为 3 1 1 土 壤 有 机 质 的 影 响 有机污染物在土壤中的吸附过程通常用 Freundlich 吸附等温模型和 Langmuir 吸 附等温模型 线性吸附等温模型来描述 这些模型能够反映吸附质在土壤中的分配行为及其与土壤组分的 相互作用 塑料添加剂 UV 328 UV P DBP DEHP 在原始 OM 土壤和去除有机质 OMR 土壤上的吸附等温线通 过线性吸附模型进行拟合 结果如图 1 所示 线性吸附模型的 R 2 值较大 R 2 0 98 表明线性模型能够很好地 拟合吸附数据 进一步证实塑料添加剂进入土壤时 其吸附行为通常受土壤有机质主导 另外 4 种塑料添加 剂在 OM 土壤中的 K d 值更高 图 1a 1d 揭示了塑料添加剂对有机质含量高的土壤具有更强的吸附能力 土壤有机质作为疏水性有机物的主要吸附域 其含量增加可通过疏水分配作用显著提升吸附容量 这 与前人的研究结果相似 即土壤有机质对有机磷酸酯增塑剂在土壤中的吸附行为具有关键调控作用 Joyce et al 2017 由于其较高的 logK ow 值 UV P DBP UV 328 DEHP 分别为 3 4 45 7 25 7 5 大多数塑料添加剂 对土壤有机质表现出强烈的亲和力 其中 对于相同种类的土壤 UV 328 对土壤的吸附能力最强 而疏水性 较强的 DEHP 的吸附能力却相对较弱 图 1a 1d 说明除塑料添加剂疏水性外 塑料添加剂对土壤的亲和力 还受到土壤性质 生物降解等因素的影响 推测 DEHP 在土壤中的吸附量最少 可能与它们在水中的溶解度 4169 期 王淑萍等 典型塑料添加剂在土壤 植物系统中的迁移特征研究 低和易于被生物降解有关 图 1 土 壤 中 有 机 质 土 水 比 对 塑 料 添 加 剂 吸 附 的 影 响 a d 分别是 UV 328 UV P DBP 和 DEHP 在有或没有有机物的土壤上的吸附等温线 e h 分别是 UV 328 UV P DBP 和 DEHP 在不同土水比 1 20 1 40 1 100 的土壤上的吸附等温线 Fig 1 The influence of organic matter and soil water ratio on the adsorption of plastic additives in soil a d the adsorption isotherms of UV 328 UV P DBP and DEHP on soil with or without organic matter respectively e h the adsorption isotherms of UV 328 UV P DBP and DEHP on soils with different soil to water ratios 1 20 1 40 1 100 417环 境 科 学 学 报 45 卷 3 1 2 土 水 比 的 影 响 通过改变土水比 进一步研究土壤对塑料添加剂的吸附作用 结果表明 土水比对 4 种塑料添加剂吸附的影响具有一致性 土水比越大 K d 值而降低 土壤的最大吸附量出现在土水比 1 100 时 图 1e 1h 说明土水比升高导致土壤的吸附容量降低 这可能与溶解性有机质 DOM 的竞争吸附或胶体悬 浮物的稳定作用有关 Zhu 等 2012 发现固相微萃取对塑料添加剂双酚 A Bisphenol A BPA 的去除率随着 DOM 含量的增加而降低 证实了 DOM 的竞争效应 在水性基质中形成 BPA DOM 复合物是导致 BPA 吸附减 少的主要原因 Oreofe et al 2024 DOM 中的溶解有机物可能与塑料添加剂竞争吸附位点 从而减少吸附 量 DOM 能够通过由溶质浓度梯度和分子内扩散阶段驱动的表面扩散 以不同速率吸附疏水性有机污染物 Zhu et al 2012 3 1 3 矿 物 组 成 的 影 响 通过 SEM 分析 图 2a 2b 发现蒙脱石颗粒比伊利石更为细碎 具有多孔结构和更 高的比表面积 这种结构特性使得蒙脱石能够提供更多的吸附位点 从而通过范德华力等分子间作用力将 污染物吸附到其表面 已有研究报道蒙脱石可增强疏水性有机药物 如环丙沙星 从水溶液中的螯合 Liu et al 2015 根据不同矿物质对 UV 328 UV P DBP DEHP 的吸附实验 图 2c 2f 发现蒙脱石对 BUVs 的吸附 能力显著高于伊利石 另外 Nagasaki 等 2003 研究了壬基氛 NP 在蒙脱土上的吸附 并将 NP 的吸附归因 于与粘土板破碎边缘上的 Al 原子的相互作用 蒙脱石由于其高比表面积 多孔结构 层状结构和丰富的表面 官能团 可能对 BUVs 展现出更强的吸附能力 值得注意的是 在不同有机质含量 矿物组成 土水比的条件下 土壤对 BUVs 吸附亲和力参数 K d 的顺序 均呈现 UV 328 UV P 的趋势 这与其辛醇 水分配系数 logK ow 所表征的疏水性结果高度一致 UV 328 UV P Jung Hwan et al 2017 表明疏水作用是调控此类化合物在土壤中固 液分配行为的关键机制 高疏 水性导致 UV 328 更易从液相向固相迁移 而 UV P 因部分溶解态残留需更长时间达到平衡 同样 大部分高 logK ow logK ow 3 BUAs 倾向于吸附于悬浮颗粒物和沉积物 Isabel et al 2022 图 2 不 同 土 壤 矿 物 对 塑 料 添 加 剂 的 吸 附 特 征 a b 蒙脱石和伊利土的 SEM 扫描图谱 c f 土壤矿物对 UV 328 UV P DBP DEHP 的吸附等 温线 Fig 2 Adsorption characteristics of plastic additives on different soil minerals a b SEM scanning maps of montmorillonite and illite respectively c f the adsorption isotherm of soil minerals to UV 328 UV P DBP and DEHP respectively 4189 期 王淑萍等 典型塑料添加剂在土壤 植物系统中的迁移特征研究 3 2 根 部 不 同 成 分 影 响 下 的 塑 料 添 加 剂 吸 附 行 为 3 2 1 根 部 脂 质 的 影 响 通过去除小麦根部脂质组分 比较有 无脂质的根基材料对 4 种塑料添加剂的吸附 机制 SEM 分析显示 图 3a 3b 相较于无脂质根组织 原始根组织表面呈现更丰富的孔隙结构 这归因于 脂质等有机质组分与纤维素骨架通过氢键和疏水相互作用形成稳定团聚体 从而产生大量微孔结构为有机 污染物提供更多吸附位点 XRD 结果分析表明 图 3c 有 无脂质的根组织均于 16 和 22 处呈现特征性强衍射峰 此组合峰为纤维 I 型结晶相的指纹特征 Yusuke et al 2010 该结果证实两种材料的主体骨架均由纤维素纤维构成 且表现 出纤维素 I 的典型衍射图样 无脂质根组织未因去除脂质引发纤维素晶型转变 虽然去脂质未改变纤维素的 晶体构型 但可减少了与纤维素结合的脂质组分 降低材料表面微孔率 这种结构演变与塑料添加剂吸附性 能紧密相关 可通过后续吸附动力学进一步阐释 通过 FT IR 分析 图 3d 在 3000 cm 1 附近的拉伸振动峰及 1200 1500 cm 1 的弯曲振动峰 对应纤维素 结构中 C H 基团的振动模式 CH CH 对称 不对称振动 此外 纤维素羟基伸缩振动 3200 3600 cm 1 缺失 说明根组织去除脂质后可能发生羟基取代或分子间氢键重组等界面改性行为 Ali et al 2023 如图3e 3h所示 通过Langmuir模型对塑料添加剂在含脂质 不含脂质根基材料上的吸附等温线进行拟合 发现 Langmuir 模型对 4 种塑料添加剂对两类根材料的拟合程度较高 吸附模型 R 2 值较大 证实小麦根材料 对塑料添加剂的吸附行为是单层吸附 进一步观察发现 有脂质的根基材料对 4 种塑料添加剂的 K L 值均高于 无脂质根基材料 图 3e 3h 这一差异揭示了根部脂质对塑料添加剂的强吸附能力 脂质作为植物根系细胞 膜和细胞壁的关键构成部分 其疏水性特性使其成为塑料添加剂 尤其是那些具有强疏水性的添加剂 的理 想吸附介质 这些添加剂倾向于通过疏水相互作用与脂质紧密结合 从而显著提高其在根部的吸附效率 Chen等 2009 发现通过皂化去除木脂 聚合物脂质 大大降低了材料对菲的亲和力 表明脂质是根基材料吸附 中有机污染物的主要吸附介质 并且根基材料对 4 种塑料添加剂的最大吸附量排序是 DBP DEHP UV P UV 328 这一结果与其疏水性大小排序不一致 其中 DBP 的吸附能力最强 可能与其较高的疏水性和较小 的分子尺寸有关 这两个因素共同作用使其更容易地进入并占据根系中的吸附位点 相比之下 尽管其他 添加剂如 DEHP UV P 和 UV 328 也具有一定的疏水性 但它们的分子尺寸或结构特性可能限制了其在根系 吸附位点上的有效占据 3 2 2 根 系 分 泌 物 的 影 响 有机污染物在根系中的吸附是一个复杂的过程 其根系中的吸附过程涉及根系 表面吸附 根系脂质和细胞壁的作用 根系代谢物的影响 为揭示根系塑料添加剂的吸附特征 研究了不同 根系分泌物对根基材料吸附塑料添加剂的影响 如图 4所示 塑料添加剂初始浓度为 2 mg L 1 时 有机酸 甲酸 苹果酸 显著抑制了塑料添加剂在根基材料 的吸附 其中 苹果酸的抑制作用尤为突出 具体而言 在苹果酸的作用下 UV 328 的吸附量相较于无苹果酸 存在时下降了 31 34 DBP 的吸附量下降了 30 UV P 的吸附量降幅更为明显 达到了 61 30 而 DEHP 的吸附量则大幅下降了 65 96 这可能是由于甲酸和苹果酸通过竞争吸附 占据根系表面的吸附位点 从而 抑制塑料添加剂的吸附 前人的研究发现根系分泌物会抑制土壤中多环芳烃的吸附 并且根系分泌物对芘 移动性的促进作用顺序为 柠檬酸 草酸 苹果酸 Shi et al 2008 在较低的 pH 值下 由于竞争性吸附 柠檬 酸等有机酸减少了砷酸盐对针铁矿的吸附亲和力 Jia et al 2018 值得注意的是 并非所有根系分泌物都对 塑料添加剂的吸附产生抑制作用 除有机酸外 根系分泌物中果糖一定程度上促进了根系对塑料添加剂的 吸附 这可能是果糖通过氢键或表面修饰 增强根系表面与塑料添加剂的相互作用 3 2 3 pH 的 影 响 通过分析不同 pH pH 2 4 6 8 对根基材料吸附塑料添加剂的影响 发现 4 种塑料添加 剂的吸附行为具有较强的 pH 依赖性 随着溶液酸性增强 显著促进了 UV P DBP DEHP 在根基材料上的吸 附 图 5 这种依赖性可能来源于 pH 对根基材料表面电荷性质和表面功能的影响 樊慧敏 2020 通过对比 相同初始浓度和 pH 条件下不含脂质根基材料对 4 种塑料添加剂的最大吸附量 发现其吸附能力表现为 DBP DEHP UV P UV 328 该顺序与根部脂质影响的吸附趋势一致 以上结果说明脂质并非主导吸附 差异的唯一因素 化合物自身性质 如 K ow 分子极性 环境条件可能起关键作用 419环 境 科 学 学 报 45 卷 运用准一级 准二级和颗粒内扩散动力学模型进行吸附动力学拟合 发现准一级动力学模型对根部塑 料添加剂的吸附过程具有较高拟合度 这意味着根部对塑料添加剂的吸附过程主要由物理吸附控制 进行 图 3 根 部 脂 质 对 塑 料 添 加 剂 吸 附 的 影 响 a b 有 无脂质根组织的 SEM 图 c 小麦根材料的 XRD 图 d 小麦根材料的 FT IR 光谱 e h UV 328 UV P DBP DEHP 在含脂质 对照组 不含脂质 去脂质根处理组 根基材料上的吸附等温线 Fig 3 Effect of root lipids on adsorption of plastic additives a b the SEM images of the root tissue and the root tissue without lipids respectively c the XRD patterns of wheat root materials d the