新烟碱类杀虫剂对微塑料在饱和多孔介质中迁移的影响研究
微塑料污染是环境与生态科学研究领域的重大全球性问题。农田土壤中的微塑料含量占陆地微塑料总量的60%以上，农田覆盖物是农业土壤中微塑料最重要的来源。微塑料迁移至地下环境和携带其他污染物的运输行为均会引发广泛的生态问题。大多数微塑料和农药分子均为非极性物质，相互吸附后难以使微塑料颗粒稳定分散。新烟碱类杀虫剂吸附在微塑料表面后其极性基团极有可能改善微塑料的亲水性，从而加剧微塑料在地下环境中的迁移。因此，新烟碱类杀虫剂对提升微塑料迁移的可能性需要进一步研究。 研究通过批次吸附实验探究了聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）微塑料对新烟碱类杀虫剂（啶虫脒、呋虫胺和烯啶虫胺）的吸附特性；其次通过石英砂饱和多孔介质柱实验分别讨论了新烟碱类杀虫剂存在下，溶液化学条件（pH、离子强度（IS）和阳离子类型）对PE和PP微塑料迁移的影响；在此基础上，分别用表面活性剂（十二烷基硫酸钠（SDS）和壬基酚聚氧乙烯醚（NP-40））和新烟碱类杀虫剂模拟农药助剂和有效成分，测定固-液静态接触角并通过Young和Gibbs方程计算不同处理在微塑料表面的粘附功，进一步明确了两类成分对PE和PP迁移的作用机制；最后通过紫外光降解实验和柱实验分别研究了聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）可降解微塑料的降解特征和新烟碱类杀虫剂对老化前后可降解微塑料迁移行为的影响机理。研究结果对揭示微塑料在新烟碱类杀虫剂影响下的迁移扩散风险、预防和减轻微塑料的环境危害具有重要意义。主要研究结果如下： （1）啶虫脒、呋虫胺和烯啶虫胺可以通过疏水作用、静电力和氢键等作用吸附在PE和PP微塑料上。新烟碱类杀虫剂在PE上的吸附结果更符合Langmuir模型，因为PE与新烟碱类杀虫剂之间存在更强的疏水相互作用。新烟碱类杀虫剂在两种微塑料上的吸附行为包含了物理和化学作用，属于吸热自发反应。pH=3.5和IS=0.005molL-1的溶液条件有利于微塑料对啶虫脒、呋虫胺和烯啶虫胺的吸附。阳离子对微塑料吸附新烟碱类杀虫剂的影响规律为Na+＞K+＞NH4+＞Mg2+。新烟碱类杀虫剂通过含N官能团吸附在微塑料上。PP更大的比表面积和孔体积、更小的平均孔径和更多的含O官能团导致对新烟碱类杀虫剂的吸附能力大于PE。 （2）啶虫脒、呋虫胺和烯啶虫胺均能促进PE和PP在石英砂饱和多孔介质中的迁移，PE和PP的回收率分别增加了8.90-18.83%和9.26-17.26%。新烟碱类杀虫剂的存在削弱了微塑料迁移对pH变化的响应，当溶液的IS增加到0.005molL-1时，PE和PP微塑料的回收率均有不同程度的提高，阳离子对微塑料迁移量的影响遵循Na+＞K+＞NH4+＞Mg2+，由不同环境下吸附新烟碱类杀虫剂能力的变化导致。PE和PP迁移量随着新烟碱类杀虫剂浓度的增加先增加后减少，因为新烟碱类杀虫剂会优先通过疏水作用吸附在微塑料上增加了微塑料的稳定性，而高浓度进一步屏蔽了亲水性的含O官能团。 （3）表面活性剂和新烟碱类杀虫剂分别增强了微塑料的移动性。啶虫脒和呋虫胺通过竞争疏水吸附位点，削弱了SDS对PE微塑料的亲水改性能力和混合溶液的粘附功，从48.29kT（0.2mmolL-1SDS）最低降至22.46kT（0.2mmolL-1SDS和2.5mmolL-1啶虫脒），从而抑制了PE的迁移。烯啶虫胺因较强的亲水性难以与表面活性剂分子竞争吸附位点，但空间位阻增强了PE的迁移率。PP本身的弱疏水性使混合体系在PP上的粘附功更难受到新烟碱类化合物的影响。由于NP-40的表面张力较大及其与新烟碱类杀虫剂之间的弱静电排斥，新烟碱类杀虫剂更容易通过降低混合体系在微塑料表面的粘附功来抑制微塑料的迁移，PE和PP的回收率分别被NP-40和新烟碱类杀虫剂共存体系中2.5mmolL-1的啶虫脒和烯啶虫胺降低19.43%和35.77%。NP-40的壬基和聚氧乙烯长链使微塑料颗粒在混合体系中更加稳定。 （4）PHA微塑料的强疏水性使其比PLA和PBAT更耐紫外光降解，可降解微塑料在老化过程中伴随着酯基（C-O）的断裂和羰基（C=O）的形成。可降解微塑料的表面电荷能被吸附的新烟碱类杀虫剂补充，但高浓度的新烟碱类杀虫剂能够有效屏蔽表面电荷。光照老化促进迁移的效果呈现出PLA≈PBAT＞PHA的规律。老化程度越高的微塑料被新烟碱类杀虫剂抑制回收率的效果越明显。老化PLA和PBAT微塑料更容易被新烟碱类杀虫剂分子抑制迁移，且呋虫胺的抑制迁移效果更高，24-PLA和24-PBAT的回收率分别被2.5mmolL-1呋虫胺抑制了38.63%和34.18%。 综上所述，新烟碱类杀虫剂因其亲水性和与微塑料表面的相互作用能够有效增强PE和PP微塑料的移动性，低浓度的新烟碱类杀虫剂可有效补充可降解微塑料的表面电荷从而提升颗粒稳定性。实际环境中新烟碱类杀虫剂加剧微塑料迁移的环境风险需引起重视。
微塑料;农田土壤;新烟碱类杀虫剂;表面活性剂;多孔介质
西北农林科技大学
博士
环境科学
殷宪强
2023
中文
X53
2023-12-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）