我校科研团队在多孔介质微塑料迁移机制方面取得系列研究成果

发布时间： 2024-12-09

近年来，全球范围内的土壤和地下水中广泛检出微塑料污染物，阐明微塑料在多孔介质中的迁移转化机制，对于准确评估和防控土壤-地下水微塑料污染具有重要意义。当前，孔隙尺度微塑料迁移过程中的微观运动及滞留模式尚不清晰，微塑料及其衍生物的协同迁移行为亦不明确，因而难以深入阐释微塑料的迁移和沉积机制。我校农业科学与工程学院副教授董姝楠研究组和合作团队针对上述问题，长期开展科学研究，在多孔介质微塑料迁移机制方面取得系列研究成果。

（1）揭示了孔隙尺度多形态微塑料迁移的微观行为

团队在国内外率先研发了孔隙尺度显微观测及定量分析系统，通过视频观测，发现微塑料围绕介质表面具有滚动、滑动、跃动的运动行为，其速率远低于以悬着方式迁移的微塑料。纤维状微塑料表现出更为复杂的迁移行为。长纤维微塑料在迁移过程中倾向于相互勾连形成微纤维团，短纤维多独立迁移，且轴向与流线平行。纤维状微塑料更容易堵塞在孔喉中，沉积的纤维状微塑料能够在水流剪切力的作用下出现摆动、屈伸等原位柔性变形行为。

图1 孔隙尺度微塑料的运动及滞留机制图

图2 孔隙中纤维状微塑料滞留的微观照片

（2）剖析了微塑料及其防老剂衍生物6PPD-Q的协同迁移机制

6PPD-Q作为橡胶及塑料制品的防老剂衍生物，已被发现对多种生物具有毒性。微塑料大多源于塑料垃圾风化破解，其生成过程不可避免的会与6PPD-Q共存。研究发现，微塑料存在条件下，6PPD-Q存在作为独立溶质、与微塑料键合等两种方式迁移。微塑料能够作为载体，促进6PPD-Q在多孔介质中的迁移能力，且促进效率受其老化程度及类型的影响。由于微塑料具有围绕介质表面运动的特性，因此其表面运动过程中可以将原本吸附在介质上的6PPD-Q粘附下来，使6PPD-Q从多孔介质中释放出来，并随微塑料共同迁移。

图3 微塑料及其衍生物6PPD-Q的协同迁移机制图

（3）阐明了氮肥影响下迁移过程中微塑料转化机制

研究探明了氨态氮（NH4Cl）、硝态氮（NaNO3）、尿素三种不同形态氮肥影响下，微塑料的迁移及转化机制。结果表明，微塑料的迁移能力普遍随NH4Cl、NaNO3浓度的上升而降低，随尿素浓度的上升而增强。微塑料的化学稳定性对其迁移能力影响较大。NH4Cl存在条件下，NH4+可以取代PVC微塑料表面的卤素氯，改变PVC微塑料的化学性质，从而促进其迁移。尿素存在条件下，尿素酰胺与PVC微塑料表面的卤素氯发生反应生成氨基，从而影响PVC微塑料的迁移能力。此外，尿素存在时，PMMA微塑料表面也生成了N-H键和C-N键。由于PET微塑料和PP微塑料在不同氮素条件下都显示出较强的惰性，因此其性质几乎没有发生转化。

图4 氮肥影响下微塑料迁移转化机制图

图5 氨态氮（NH₄Cl）和尿素存在条件下，PVC微塑料的FTIR谱图（a）以及XPS谱图（b：全谱；c：C1s高分辨率扫描谱；d：O1s高分辨率扫描谱；e：N1s高分辨率扫描谱）

上述研究得到了国家自然科学基金项目（42277001、52309047）等的资助。系列成果发表于《Water Research》《Environmental Science & Technology》《Environmental Pollution》等国际顶尖期刊上，董姝楠副教授为系列论文的第一、通讯作者，硕士研究生于千惠、苏晓婷为系列论文的第一、第二作者，河海大学农工院夏继红教授、盛丽婷讲师，南京大学吴吉春教授、孙媛媛教授，美国伦斯勒理工学院Bin Gao讲席教授为系列论文的合作作者。