可降解微塑料与Cd(Ⅱ)在多孔介质中的迁移规律研究及风险评估
可降解塑料作为传统塑料的理想替代品被大量用于包装行业和地膜覆盖，但进入自然环境的可降解塑料并不能完全降解，从而导致其在地下环境中持久和广泛的存在。相较于传统塑料，由于可降解塑料较低的机械强度，它会更容易地分解成微塑料。与传统微塑料相比，具有更丰富的官能团的可降解微塑料对环境污染物（即重金属，有机污染物和病原体等）表现出更强的吸附能力。经历老化后的可降解微塑料在环境中理化性质会产生变化，从而导致其环境行为的改变。然而，目前的研究主要聚焦于传统微塑料，而忽略了可降解微塑料的潜在环境行为。Cd(II)是环境中的有毒重金属污染物之一。考虑到（老化）可降解微塑料会与Cd(II)同时存在于地下环境中，在环境中释放的（老化）可降解微塑料的单独迁移及其与共存Cd(II)的环境行为需要进一步研究。 本研究选取典型的可降解微塑料聚乳酸（PolylacticAcid，PLA）作为试验材料，以聚氯乙烯（PolyvinylChloride，PVC）作为传统微塑料的典型代表进行对照试验。通过紫外辐射模拟光老化获得老化的PLA和PVC微塑料（agedPLA和agedPVC）。采用石英砂填充柱试验在多种理化条件（流速、离子强度和共存阳离子）下探究（老化）微塑料及其与共存Cd(II)的迁移行为；通过批量吸附试验研究（老化）微塑料与Cd(II)的吸附行为；采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）和Zeta电位粒度测定技术分析微塑料的理化性质，探究可降解微塑料与Cd(II)的相互作用机理；采用DLVO（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）理论分析了可降解微塑料及共存Cd(II)的迁移机制；通过体外模拟消化试验和危险熵（HazardQuotient，HQ）的计算评估了负载Cd(II)（老化）可降解微塑料对人体健康的风险。主要研究结果如下： （1）不同理化条件下，对流扩散作用和静电相互作用影响了微塑料在多孔介质中的迁移行为。微塑料的回收率随流速的升高、离子强度的降低和共存阳离子化合价的降低而提高。在相同试验条件下，PLA比PVC在多孔介质中表现出更强的流动性。例如，在流速为1mL·min-1，1mM的Na+试验条件下，PLA和PVC的回收率分别为79.29%和68.66%。根据FT-IR和XPS的测定结果，PLA具有更丰富的含氧官能团。这些含氧官能团提高了其在溶液中的分散稳定性和亲水性，并降低了Zeta电位，使得PLA与石英砂之间产生更强的静电斥力。在经历老化后，两种微塑料的氧官能团变得更丰富。且PLA的变化更为显著。因此，PLA的迁移能力在老化后提高的更明显。微塑料的迁移结果与DLVO相互作用能预测结果一致。 （2）Cd(II)在PLA、PVC、agedPLA和agedPVC上的动力学吸附符合准二级模型（R2＞0.997），等温吸附数据更符合Freundlich模型（R2＞0.983），表明该吸附过程是包含物理化学吸附的和复杂的吸附过程。与（aged）PVC相比，（aged）PLA的吸附速率更快、吸附能力更强。在溶液以1mM的Na+为背景条件时，PLA、agedPLA、PVC和agedPVC对Cd(II)的饱和吸附量分别为2.953、3.423、1.765和2.456mg·g-1，归因于（aged）PLA上丰富的氧官能团促使其通过表面络合和静电吸引作用吸附了更多的Cd(II)。Cd(II)在微塑料上的吸附随着离子强度和共存阳离子化合价的增加而降低，因为微塑料表面的负电荷被中和与吸附位点被大量的其他阳离子占据。 （3）Cd(II)在Cd(II)-微塑料共迁移体系中的迁移能力强于单独迁移体系。（aged）PLA比（aged）PVC更有效地促进了Cd(II)的迁移。这归因于具有更强流动性和吸附亲和力的（aged）PLA携带了更多的Cd(II)，并且电负性较高的Cd(II)-(aged)PLA复合物与石英砂产生了更强的静电排斥力。微塑料对Cd(II)在多孔介质中迁移的促进作用在微塑料具有更强的吸附性和更高的迁移率时更为明显。在以1mM的Na+为背景条件和流速为2mL·min-1时，PLA、PVC、agedPLA和agedPVC对Cd(II)的回收率分别提高了11.97%、6.28%、15.34%和11.15%。此外，与（aged）PVC相比，（aged）PLA在共迁移体系中的迁移被抑制的程度更低。（aged）PLA在促进Cd(II)迁移的方面发挥着不可忽视的作用。 （4）Cd(II)-微塑料上的Cd(II)主要是在胃消化期释放的。这是因为胃消化阶段低pH使Cd(II)以离子态溶出，也有利于蛋白质与Cd(II)结合成金属蛋白而保持Cd(II)的溶解态。在肠消化阶段，PLA和agedPLA表现出更高的口服生物可利用性。由于在酯酶的作用下，脂肪酶促进了聚合物的分解，从而增加了附着在PLA和agedPLA上Cd(II)的释放。在男性儿童的胃消化期中，Cd(II)-PLA和Cd(II)-PVC的HQ大于1.0，表明摄入负载Cd(II)的PLA和PVC会对男性儿童构成严重的健康风险，吸收的Cd(II)进入血液循环再进入人体组织，从而造成毒性效应。 综上所述，（老化）可降解微塑料在地下环境中具有较强的迁移能力，对共存Cd(II)具有强吸附亲和力而促进Cd(II)的迁移，通过口服摄入（老化）可降解微塑料-Cd(II)复合物后会对人体健康造成威胁。可降解微塑料会对环境和生物造成潜在的威胁，研究结果为评价（老化）可降解微塑料的环境风险提供科学依据。
可降解微塑料;Cd(Ⅱ);多孔介质;风险评估;重金属
西北农林科技大学
硕士
环境科学
殷宪强
2023
中文
TQ320.7
2023-12-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）