近年來，全球范圍內(nèi)的土壤和地下水中廣泛檢出微塑料污染物，闡明微塑料在多孔介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化機制，對于準確評估和防控土壤-地下水微塑料污染具有重要意義。當前，孔隙尺度微塑料遷移過程中的微觀運動及滯留模式尚不清晰，微塑料及其衍生物的協(xié)同遷移行為亦不明確，因而難以深入闡釋微塑料的遷移和沉積機制。我校農(nóng)業(yè)科學與工程學院副教授董姝楠研究組和合作團隊針對上述問題，長期開展科學研究，在多孔介質(zhì)微塑料遷移機制方面取得系列研究成果。
（1）揭示了孔隙尺度多形態(tài)微塑料遷移的微觀行為
團隊在國內(nèi)外率先研發(fā)了孔隙尺度顯微觀測及定量分析系統(tǒng)，通過視頻觀測，發(fā)現(xiàn)微塑料圍繞介質(zhì)表面具有滾動、滑動、躍動的運動行為，其速率遠低于以懸著方式遷移的微塑料。纖維狀微塑料表現(xiàn)出更為復(fù)雜的遷移行為。長纖維微塑料在遷移過程中傾向于相互勾連形成微纖維團，短纖維多獨立遷移，且軸向與流線平行。纖維狀微塑料更容易堵塞在孔喉中，沉積的纖維狀微塑料能夠在水流剪切力的作用下出現(xiàn)擺動、屈伸等原位柔性變形行為。
圖1 孔隙尺度微塑料的運動及滯留機制圖
圖2 孔隙中纖維狀微塑料滯留的微觀照片
（2）剖析了微塑料及其防老劑衍生物6PPD-Q的協(xié)同遷移機制
6PPD-Q作為橡膠及塑料制品的防老劑衍生物，已被發(fā)現(xiàn)對多種生物具有毒性。微塑料大多源于塑料垃圾風化破解，其生成過程不可避免的會與6PPD-Q共存。研究發(fā)現(xiàn)，微塑料存在條件下，6PPD-Q存在作為獨立溶質(zhì)、與微塑料鍵合等兩種方式遷移。微塑料能夠作為載體，促進6PPD-Q在多孔介質(zhì)中的遷移能力，且促進效率受其老化程度及類型的影響。由于微塑料具有圍繞介質(zhì)表面運動的特性，因此其表面運動過程中可以將原本吸附在介質(zhì)上的6PPD-Q粘附下來，使6PPD-Q從多孔介質(zhì)中釋放出來，并隨微塑料共同遷移。
圖3 微塑料及其衍生物6PPD-Q的協(xié)同遷移機制圖
（3）闡明了氮肥影響下遷移過程中微塑料轉(zhuǎn)化機制
研究探明了氨態(tài)氮（NH4Cl）、硝態(tài)氮（NaNO3）、尿素三種不同形態(tài)氮肥影響下，微塑料的遷移及轉(zhuǎn)化機制。結(jié)果表明，微塑料的遷移能力普遍隨NH4Cl、NaNO3濃度的上升而降低，隨尿素濃度的上升而增強。微塑料的化學穩(wěn)定性對其遷移能力影響較大。NH4Cl存在條件下，NH4+可以取代PVC微塑料表面的鹵素氯，改變PVC微塑料的化學性質(zhì)，從而促進其遷移。尿素存在條件下，尿素酰胺與PVC微塑料表面的鹵素氯發(fā)生反應(yīng)生成氨基，從而影響PVC微塑料的遷移能力。此外，尿素存在時，PMMA微塑料表面也生成了N-H鍵和C-N鍵。由于PET微塑料和PP微塑料在不同氮素條件下都顯示出較強的惰性，因此其性質(zhì)幾乎沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化。
圖4 氮肥影響下微塑料遷移轉(zhuǎn)化機制圖
圖5 氨態(tài)氮（NH4Cl）和尿素存在條件下，PVC微塑料的FTIR譜圖（a）以及XPS譜圖（b：全譜；c：C1s高分辨率掃描譜；d：O1s高分辨率掃描譜；e：N1s高分辨率掃描譜）
上述研究得到了國家自然科學基金項目（42277001、52309047）等的資助。系列成果發(fā)表于《Water Research》《Environmental Science & Technology》《Environmental Pollution》等國際頂尖期刊上，董姝楠副教授為系列論文的第一、通訊作者，碩士研究生于千惠、蘇曉婷為系列論文的第一、第二作者，河海大學農(nóng)工院夏繼紅教授、盛麗婷講師，南京大學吳吉春教授、孫媛媛教授，美國倫斯勒理工學院Bin Gao講席教授為系列論文的合作作者。
相關(guān)論文信息：
[1] Dong Shunan*, Su Xiaoting, Sheng Liting, Yu Qianhui, Yu Yulu, Sun Yuanyuan, Wu Jichun, Gao Bin. Environmental Science & Technology, 2024, 58, 21058-21067. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c10405
[2] Yu Qianhui, Dong Shunan*, Sheng Liting, Su Xiaoting, Wang Lei, Fan Weiya, Yu Yulu. Cotransport of 6PPD-Q and pristine/aged microplastics in porous media: An insight based on transport forms and mechanisms. Water Research, 2024, 265: 122254. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122254
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[4] Dong Shunan*, Zhou Mengzhu, Su Xiaoting, Xia Jihong, Wang Lei, Wu Huiyi, Suakollie Emmanuel B., Wang Dengjun. Transport and retention patterns of fragmental microplastics in saturated and unsaturated porous media: A real-time pore-scale visualization. Water Research, 2022, 214: 118195. https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118195
