第一作者： 于飞
通讯作者： 马杰
通讯单位： 喀什大学&同济大学
论文DOI：10.1039/d4em00062e
研究背景
微塑料与有机污染物在水体中共存，风化微塑料对污染物的吸附能力显著增强。氢键、疏水相互作用、范德华力和静电相互作用是抗生素与微塑料之间的主要结合机制。微塑料对污染物的吸附能力在一定程度上取决于污染物的特性。微塑料对抗生素和染料具有显著的吸附作用。然而，目前尚不清楚不同类型的微塑料是否对抗生素和染料产生不同的吸附效果。因此，研究微塑料对不同类型污染物的吸附行为是必要的。PE和聚苯乙烯PS是最常见的塑料类型，经常在环境中发现，容易吸附环境污染物。PBAT以其良好的生物降解性受关注，在食品包装、农用薄膜、医疗器械等方面的应用越来越广泛。典型的塑料PE, PS和PBAT作为研究对象在黑冷却和紫外线辐射交替模拟自然风化。风化实验进行了60至120天，以全面了解MPs在环境中的降解行为。研究了抗生素和染料在PE、PS和PBAT上的吸附行为。探讨了不同粒径PE塑料的风化和吸附性能的差异。阐明粒径对微塑料环境行为的影响，并比较传统塑料和可降解塑料的风化行为的差异。本研究旨在为不同污染水平下微塑料的生态风险评估提供理论依据。
内容简介
微塑料可以在环境中充当载体，吸收各种毒素并扩散到不同的生态系统。积聚在微塑料中的毒素有可能被重新释放，构成威胁。本研究对聚乙烯(PE)和聚苯乙烯(PS)两种典型塑料，以及可降解塑料聚己二酸丁二酯(PBAT)进行了长期紫外线交替风化实验。研究了不同粒径微塑料的风化过程和污染物吸附的变化规律。此外，还评估了微塑料对各种污染物的吸附能力。研究结果表明，颗粒大小对风化作用有显著影响，导致吸附能力的变化。风化聚乙烯对偶氮染料有较高的吸附能力。PBAT对中性红的吸附量是抗生素的两倍。重要的是，PBAT老化后对污染物的最大吸附量约为PE的10倍。因此，在自然环境中经受风化的可降解塑料可能比传统塑料造成更高的生态风险
图文导读
原始样品均匀致密，表面光滑，经过紫外线照射后，PE表面出现裂纹、表面粗糙度增加。PS老化后变得粗糙开始呈现裂缝。PBAT老化后出现分层和明显的孔隙。
三种MPs在紫外线照射后均发生不同程度的光氧化反应。光利用率和氧含量越高，风化程度越大。ATR-FTIR谱图显示PE塑料在1720 cm-1处的C=O键随着照射时间的增加，特征峰也明显增大。PS的C-H键在光氧化过程中发生了不同程度的变化，表层化学成分发生变化。PBAT的C-H键振动强度随风化时间增加而减小，碳链发生交联或重排。
根据DSC曲线数据，原始PE样品的结晶度为13.0% 120天后PE的结晶度为47.1%。在加速风化过程中，不稳定的非晶态区域被破坏，留下更稳定的晶态区域。PS在风化前后保持相对稳定，风化后的热稳定性增强。PS颗粒表面碎片脱落，剩余碳链在熔化时需要更多的能量，紫外风化后残留的PS不易降解，更容易产生微塑料污染物持续的复合污染效应。PBAT风化后峰值向低温迁移，热稳定性降低。此外，PBAT的碳链发生交联，产生二苯甲酮结构，促进非生物因素和生物降解。
对两种粒径的PE微塑料建立CI预测模型，随着老化时间改变，PE的CI呈现良好的线性拟合关系，PE-30和PE-125的拟合度分别为0.978和0.99。为了验证模型的准确性，对比了PE老化的第80、90和100天的预测值和实测值的标准偏差均在0.09以下。
PE-125对不同污染物表现出较高的吸附能力。PE在老化后引入了含氧官能团增加了微塑料的亲水性。对TC、OFL的吸附主要通过氢键作用。PE老化后对中性红的吸附容量最高，主要通过物理吸附结合。
PS对染料的吸附能力高于对抗生素的吸附能力。原始PS主要通过疏水π-π共电子相互作用吸附污染物。光氧化反应加速风化过程，导致引入C=O、C-O或O-H基团，改变MPs的物理化学性质，从而增强MPs与污染物之间的氢键。因此，紫外线辐射显著增强了PS对污染物的吸附能力。老化后，PS对TC、CIP、中性红和亚甲基蓝的平衡吸附量分别增加了58% (0.69 ~ 1.09 mg g−1)、138% (1.72 ~ 4.09 mg g−1)、381% (0.85 ~ 4.09 mg g−1)和469% (0.97 ~ 5.52 mg g−1)。PBAT在风化前后的吸附能力有显著差。PBAT对CIP的平衡吸附量从0.62 mg g−1增加到6.22 mg g−1，对中性红的平衡吸附量从2.92 mg g−1增加到12.70 mg g−1。这表明PBAT比常规微塑料具有更强的污染物负荷能力。
随着氯化钠浓度的增加，PE-125吸附行为受到抑制。盐离子与污染物之间的离子竞争削弱了微塑料的吸附能力。有机物的存在也会降低微塑料对抗生素的吸附能力。腐植酸(HA)含有多种芳香族物质，其活性官能团与微塑料具有疏水相互作用和络合作用。因此，微塑料与OFL之间的界面相互作用被削弱。此外，透明质酸可以通过络合和氢键与亲水性和极性有机化合物相互作用。
总结与展望
重点研究了风化后PE、PS和PBAT表面形貌、化学成分和材料性能的变化。PE CI预测模型与风化时间呈较强的线性关系(R2> 0.97)。PE的吸附行为表明，表面形貌的改变和氢键的增加增强了风化微塑料的吸附能力，离子浓度和溶解有机物(DOM)与微塑料竞争吸附，导致风化微塑料在复杂自然环境中的吸附性能低于纯水环境。由于PBAT中杂原子的存在，更容易发生化学风化，风化后的PBAT可能是淡水中有机污染物的良好载体。建议监测染料废水中微塑料的存在，以防止它们作为复合污染物释放到大自然中。进一步研究PBAT在其他生态系统中的环境行为是全面。了解可降解塑料在环境中的风化及其生态风险的必要条件
文献链接：https://doi.org/10.1039/d4em00062e
