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现阶段,塑料由于其耐用性和低成本而被广泛应用于日常生活中。PlasticEurope的最新统计数据显示,2019年全球塑料产量高达3.59亿t[1],其中仅有一小部分(约6%—26%)会被回收利用[2]。据估计,环境中塑料废物的积累量超过49亿t[3]。未经正确处理/处置的塑料会在自然条件下风化破碎成微塑料(MPs),造成更大的环境风险。
MPs具有良好的疏水性和迁移性,是环境中污染物的优良载体[4-6]。大量环境监测结果揭示了吸附在MPs上的污染物的时空分布,是MPs作为污染物载体的直接证据[6-7]。一方面,MPs可以作为二次污染源,源源不断地向周围环境释放已吸附的污染物;另一方面,MPs易被水生生物误食,与吸附的污染物一起对摄食生物造成联合毒性,甚至沿食物链逐级传递,危害生态系统健康。为了有效评估和预防MPs的生态风险,有必要系统地了解其对污染物的吸附机制。
因此,本文系统总结了不同类型MPs与亲水、疏水性有机污染物及重金属的相互作用机制、影响因素及相关模型的研究进展,强调了复合污染物竞争吸附的相关研究的重要性,重点归纳了老化过程对微塑料吸附行为的影响机制,并提出了当前研究领域的关键挑战和对未来研究方向的展望,以期为揭示MPs的环境化学行为和生态风险提供参考。
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目前,关于MPs与有机污染物的相互作用,研究者们提出了以下几种重要机制:(1)疏水相互作用:指有机化合物在水相和MPs之间的分配过程,通常表现为线性吸附;(2)静电相互作用:当MPs与污染物都带电荷时,会通过静电吸引或静电排斥相互作用,由溶液pH和污染物解离常数(pKa)共同决定;(3)氢键相互作用:指MPs的官能团(如羧基和酯羰基等含氧官能团或酰胺基团)作为质子供体或受体与污染物通过氢键相互作用而影响吸附;(4)π-π相互作用:对于含有苯环结构的MPs(如PS),其能通过π-π相互作用结合含有双键或苯环的污染物分子;(5)范德华力:指分子间的作用力,可用于解释SMX在PE上的线性吸附[8]。表1总结了不同MPs吸附不同有机污染物时涉及的机制。
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一些疏水性有机污染物(如PAHs、PCBs、农药和除草剂)是影响生态系统健康的重要因素。MPs具有较沉积物和天然有机质更强的疏水性及良好的迁移性[4-5],容易通过疏水相互作用结合环境介质中已有的疏水性污染物,进而影响其迁移,对生态环境构成了高度威胁[6]。
MPs和污染物的疏水性是影响其吸附行为的关键因素之一。通常,有机污染物的疏水性遵循HCHs < PCBs < DDTs < PAHs[26]。与之对应,实验室研究中PCBs和PAHs的吸附量通常高于DDT[27-29];现场监测结果也表明,MPs中PAHs和PCBs的浓度高于DDT和HCHs[30]。Lee等[31]发现吸附系数与疏水性之间具有良好的线性相关性,进一步证明了疏水性是塑料碎片与PAHs吸附行为的主要相互作用机理。聚合物密度也是影响MPs吸附行为的因素之一。例如,Fries和Zarfl[32]指出,LDPE比HDPE具有更高的PAHs扩散系数,吸附能力随PAHs分子量的增加而降低,并且吸附速率与MPs和PAHs的密度有关。此外,PE的吸附等温线是高度线性的,这表明污染物倾向于吸附到聚合物内部而非聚合物表面[32]。相比之下,PS的吸附等温线是非线性的,π-π共轭在吸附中起重要作用[33]。除了π-π共轭以外,PAHs和MPs的平面度也是影响其吸附行为的因素之一。例如,Liu等[34]发现,较高的平面度导致了PAHs在PS上的强吸附,PAHs可以轻松到达原始PS上的任意吸附位点。此外,Wu等[15]还考察了5种更复杂的双酚类化学品在PVC上的吸附行为,深入研究其机理发现,疏水相互作用、静电力和非共价键(氢键和卤素键)都可能对双酚类化学品在PVC上的吸附产生积极影响。总体而言,关于MPs对疏水性污染物吸附机制的研究已取得一定进展,但是相关研究缺乏系统性(如不同研究关注的MPs类型和污染物具有很大差异),仍需进一步地探索以填补对MPs吸附机制理解的空白。
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考虑到原始塑料碎片的疏水性,研究者们通常采用疏水性有机污染物进行MPs上的吸附实验。然而,MPs进入环境后,其表面会发生氧化,对亲水性污染物也吸附能力也有所增强。因此,一些研究也开始关注亲水性有机污染物在MPs上的吸附行为。
抗生素是一类典型的持久性有机污染物,包括许多亲水性污染物。Li等[17]和Shen等[35]发现MPs可以吸附包括SDZ、AMX、TC、CIP及TMPs在内的亲水性抗生素。除抗生素外,PFAS也是亲水性污染物的典型代表。Wang等[36]研究了PFOS和FOSA(PFOS的一种前体)在3种典型的MPs(PE、PS和PVC)上的吸附行为。结果显示,PFOS和FOSA在3种MPs上的吸附等温线是高度线性的,这表明主要的相互作用过程可能是分配而不是疏水;且由于污染物官能团的不同,FOSA在PE上的吸附水平高于PFOS。然而,Llorca等[37]报告称,PFAS在HDPE上的吸附可以解释为疏水相互作用和范德华力共同作用的结果。该研究证明了在PFAS吸附中,疏水力有重要影响,尤其是在疏水吸附剂(例如HDPE)存在的情况下[38]。可见,关于PFAS在MPs上的吸附机制仍待进一步研究。考虑到环境中的老化过程,Liu等[39]和Hüffer等[27]研究发现老化MPs表面有更多的含氧官能团,从而提高了其吸附能力。老化的MPs与亲水性污染物之间的吸附机制主要是含氧官能团之间的氢键相互作用。总体而言,关于MPs吸附亲水性有机物的研究相对较少,其吸附机理尚不明确;同时,老化MPs在环境中普遍存在,其对亲水性污染物的吸附机制也是重要的研究方向。
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除有机污染物外,现场实验还发现海洋和淡水MPs表面重金属的累积[40-41]。Hodson等[42]进一步强调塑料作为陆地环境中重金属载体的潜力。实际上,由于不同聚合物的化学和物理特性(例如比表面积和分子极性),金属在MPs上的吸附可能存在很大差异[43]。例如,塑料中Cd和Pb的比率分别为6.9%和7.5%[44]。大多数关于MPs吸附重金属的研究,均采用吸附等温线和动力学模型来研究吸附过程中的机理。例如,Hodson等[42]发现金属在MPs上的吸附等温线可以用Freundlich等温线表示,表明发生了多层吸附。而Holmes等[45-46]发现,Freundlich和Langmuir等温线都能很好描述金属在MPs上的吸附,表明金属也可能在MPs活性部位上发生单层吸附。此外,金属在MPs上的吸附动力学遵循PFO模型[46]。但是,这些吸附模型几乎是经验模型,并且缺乏特定的物理意义。吸附过程包括3个步骤:①金属在MPs周围薄膜中的扩散;②金属在MPs孔内扩散;③金属在活性部位上的吸附。吸附现象模型的参数(例如传质模型和孔膜扩散模型)具有明确的物理含义,可以描述总体吸附步骤[47-49]。直到最近,才有很少文献研究金属在MPs上的吸附现象模型[50]。可见,MPs对重金属的吸附机制尚处于起步阶段,相关工作(如吸附现象模型的应用等)有望进一步开展。
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在真实环境中往往是多种污染物同时存在的。根据文献数据,全球环境中MPs上积聚的污染物包括PAHs、PCBs、HCHs和DDTs等有机污染物[30],以及Cd、Pb、Cu、Zn、As、Ti和Ni等重金属[51-52]。当它们被MPs吸附时,可能会出现不同的吸附顺序,并且可能发生竞争性吸附[53-55]。如果某些污染物与一种MPs具有更好的亲和力,它们将可能抑制其他化合物的吸附[56];通过中性金属-有机络合物和塑料表面疏水特性的非特异性结合也可以产生吸附作用[55]。例如,Bakir等[56]研究了PE和PVC对PHE和DDT的双溶质体系的吸附行为。结果显示,在双溶质系统中,DDT的吸附行为与单溶质系统中没有显著不同。但是,DDT干扰了PHE在塑料上的吸附,表明两者吸附行为的拮抗作用。Zhou等[57]发现,低浓度的PHE(0.1—1.2 mg·L−1)几乎不影响Cd(II)在MPs上的吸附,这主要是因为Cd(II)和PHE在MPs上的吸附位点不同[53]。另一种可能的解释是,Cd(II)可以通过阳离子-π相互作用形成新的PHE吸附位点[53-54],削弱PHE的抑制作用。Huang等[55]研究了Cd(II)在不同共存体系中对PS吸附TYL的影响。当Cd(II)和TYL共存时,竞争性吸附占主导地位,从而抑制了PS对TYL的吸附。当PS首先吸附Cd(II),然后再吸附TYL时,TYL和Cd(II)络合物的形成增强了TYL的吸附。
综上,环境中往往是多种污染物同时存在,复合污染带来的环境效应很大程度上区别于单一污染物,但相关研究尚处于起步阶段。研究复合污染物在同种MPs上的竞争吸附和不同MPs间的分配差异,可以为评估复合污染过程中MPs和复合污染物的环境行为和生态风险提供重要依据。
1.1. 疏水性有机污染物
1.2. 亲水性有机污染物
1.3. 重金属
1.4. 复合污染物
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本研究在web of science检索系统上以“microplastic*”、“sorption”为检索关键词,统计2016至2020年共计184篇有关MPs吸附的文献得出,研究涉及的MPs类型包括PS、PE、PP、PVC、PA、PET及其它(如PMMA、PU、PLA和ABS等),其所占比例及分子结构如图1所示。
由图1可见,关于PS和PE吸附的研究最多,分别占28%和27%,其次是PP、PVC、PA和PET。由于不同类型MPs的官能团结构不同,其吸附机制存在差异。PS具有苯环结构,能够通过π-π共轭吸附含有双键或苯环的污染物分子。例如,由于疏水性和π-π相互作用,PS对PCBs表现出较PE更强的吸附亲和力[58],其对PAHs的吸附能力也强于PE、PP和PVC等非芳香族聚合物[59]。PA中酰胺官能团的存在使得氢键相互作用成为其与污染物相互作用的重要机制。Li等[17]研究表明,由于酰胺基团的存在,PA对4种抗生素(TMP、CIP、AMX和TC)的吸附能力高于PE和PVC。Liu等[60]也证实,在10种不同的MPs中,PA对E2的吸附能力最高。Wu等[15]报道,卤素键也可能会促进双酚类物质在PVC微塑料上的吸附。Wang等[36]报道由于MPs取代基原子或基团的不同,FOSA在PE上的吸附亲和力高于PVC和PS。
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MPs的尺寸会通过改变其比表面积(SSA)大小和吸附位点多少影响其对污染物的吸附行为。通常,随着粒径的减小,SSA和吸附位点的数量都会增加,从而提高吸附能力。例如,纳塑料(NPs)的吸附能力较MPs高1—2个数量级[61]。根据MPs的SSA和吸附数据(附表1),可以得出MPs对疏水性和亲水性污染物的吸附能力均与SSA呈现正相关(图2),表明SSA是影响有机污染物吸附的重要因素之一。然而,亲水性污染物吸附数据的相关性较差,主要是由于原始MPs对亲水性污染物的吸附能力太弱,造成了低SSA附近离群点较多。
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聚合物中包含结晶区域和无定形区域,其划分与主链碳的排列有关。结晶区域由有序和固定的聚合物链紧密堆叠而成,而无定形区域的聚合物链相对无序和松散,具有一定的自由体积[62]。在结晶区域,吸收化学物质需要较高的能量,而在无定形区域,原子可以更自由地移动,有利于化学吸收,因而对污染物具有更强的亲和力。结晶度是指聚合物中结晶区域所占的比例,能够侧面反应无定形区域的占比情况,是影响MPs吸附行为的重要特征。其中,PS是一种高结晶聚合物,吸附效率很低;PP和PE属于低结晶聚合物,被视作污染物的有效载体[63]。由于MPs极性和结晶度的影响,原始PVC对PCBs和PFOSs吸附能力高于PS[36, 64]。Müller等[65]也发现,PP比PS具有更高的积累BTEX和燃料醚的能力。随着聚合物结晶度的增加,其对污染物的吸附能力和速率降低[5, 66]。例如,PHE、林丹和NAP在PE上的有机碳含量归一化吸附系数随结晶度的降低而增加[67]。
根据玻璃化转变温度的不同,可以将MPs的无定形区域进一步划分为玻璃态和橡胶态。玻璃态聚合物的典型代表包括PET、PVC和PS,橡胶态聚合物的典型代表包括PP和PE。玻璃态聚合物更易缩合和交联,由于内部孔隙(纳米孔)的存在,疏水性污染物的释放速率较低,可以为疏水性污染物提供强吸附位点[63, 68];橡胶态聚合物的玻璃化转化温度较低,常温下处于橡胶状态,具有较高的迁移率,对疏水性污染物具有较高的亲和力[69]。大量研究也证明,橡胶态的PP和PE比玻璃态的PET和PVC对污染物有更高的亲和力[67, 70-71]。一些研究还发现,尺寸和形状效应对玻璃态聚合物吸附的影响大于橡胶态聚合物[65, 72]。
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塑料进入环境后必将经历不同程度的老化过程,包括物理老化(如机械磨损)、化学老化(如光老化)和生物老化[73]。老化过程可以改变MPs的物理和化学性质(如比表面积、结晶度和官能团等),从而影响其吸附行为,其主要机制如图3所示。
第一,如前所述,MPs的SSA与吸附容量呈现正相关,老化过程能够使MPs产生裂纹或破碎为更小的碎片,使得其粒径减小、SSA增加,从而具有更多的吸附位点和更强的吸附能力[9, 74]。例如,Liu等[75]采用O/C比作为羰基指数的替代参数,评估了MPs的老化程度及其物理化学特性,发现MPs对CIP的最大吸附容量是老化程度(O/C比)和粒径大小的二元一次函数。Zhang等[76]发现采用滩涂塑料废弃物制备的老化PSMPs具有丰富的微孔结构,其SSA约为原始PSMPs的4倍,其对OTC的最大吸附容量(Qm,Langmiur拟合得出)约为原始PSMPs的18倍,Kd与壤土质砂壤或海洋和淡水沉积物相当,可见其潜在环境风险有待进一步研究。Liu等[16]发现随着光芬顿老化时间的增加,PSMPs的SSA及其对AML的吸附能力逐渐增加,但对ATV的吸附能力先减小后增大,表明还存在其他因素影响ATV的吸附。然而,现阶段关于老化MPs的SSA与吸附容量相关关系的研究还很匮乏。
第二,老化MPs表面含氧官能团(如羧基、醛基、酮基和羟基)的生成会增加MPs的表面极性、亲水性和电荷,进而影响其与污染物的相互作用。(1)老化过程可以通过降低MPs疏水性分别增强和减弱其与亲水性和疏水性分子间的相互作用,导致亲水性污染物吸附量的增加(如CIP[75]、OTC[76]和TCS[77])以及疏水性污染物吸附量的降低(如燃料芳烃[65])。(2)老化可以增加MPs表面的负电荷,从而影响MPs与污染物之间的静电相互作用。部分研究发现,由于老化MPs表面极性和电荷的增加,老化MPs对重金属(如Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Cs和Sr等)的吸附容量增加[46, 78-79]。Liu等[16]采用ζ电位分析证明老化过程向PS表面引入了负电荷,且在测试pH下,带负电荷的老化PS与带正电的AML之间的静电吸引增强了AML在老化PS上的吸附。此外,多项研究已经证实静电相互作用在老化MPs吸附抗生素中起到重要作用[16],可以预见老化对静电相互作用的贡献程度需要进一步研究。(3)含氧官能团的生成会增强氢键相互作用在MPs与亲水性和极性有机污染物之间的重要性[39]。氢键相互作用已被广泛接受为老化MPs的重要吸附机制之一[39, 76, 80]。然而,Ding等[80]发现老化PS几乎不吸收PAHs,这是由于MPs表面的含氧官能团和水分子间可能会形成氢键簇,掩盖了氢键相互作用对有机污染物吸附的贡献。
第三,老化过程中MPs结晶度的改变会影响其与污染物的相互作用。对于无定形聚合物,疏水性污染物的吸附受水和聚合物之间的分配控制;而对于结晶聚合物,表面吸附则是疏水性污染物的吸附过程[5, 66]。老化过程中,MPs会发生链断裂,导致其分子量下降,释放出更灵活的链段,其结晶度(即无定形部分含量)发生改变,从而影响其对疏水性污染物的吸附[81-82]。Liu等[16]表明结晶度可能与高度老化的PS的吸附有关。Wu等[77]观察到老化前后PPMPs对TCS的平衡吸附容量与结晶度和玻璃转化温度(Tg)之间存在显著相关性,这表明老化增加了PPMPs中的非晶体结构域和不完整的分子结构,证实了随机排列的非晶体域是老化PPMPs对有机污染物吸附能力增强的原因之一。
第四,老化过程还会影响含有苯环的MPs与含有C=C键或苯环的有机分子之间的相互作用。随着老化PSMPs聚合物链的断裂,含苯环的分子逐渐剥落,其与污染物的π-π相互作用从而减弱[16]。
此外,有以下几点值得说明:
(1)老化对MPs不同特性的影响可能对其吸附能力起到协同或拮抗效应。例如,老化既能通过形成裂纹增加MPs上的吸附位点,又能降低MPs的疏水性,分别对疏水性污染物的吸附起到促进和抑制作用。由此可见,吸附能力的增加或减小取决于MPs何种特性起主导作用。
(2)在不同的老化条件下,MPs的老化机理不同,其吸附效果也具有较大差异。例如,光老化导致MPs表面含氧官能团的增加[27],热氧化导致MPs结晶度的增加[83],被微生物定殖形成生物膜会导致MPs密度的增加[84],海水、淡水和空气中MPs老化具有差异[80],不同氧化剂造成的MPs老化程度不同(如K2S2O8 > Fenton[75]),且MPs的老化程度是随老化时间变化的。然而,现阶段很少有研究系统性地研究MPs老化程度与其结构特性及环境效应之间的关系,相关研究有助于理解复杂环境过程中MPs的老化机制及环境风险。
(3)MPs类型也会影响老化效果,不同MPs适合的老化方式和需要的老化时长不同,因此单一的老化方式可能无法模拟其在环境中的老化过程,造成对其吸附行为的误判。例如,具有苯环结构的PS更倾向于光老化而非生物老化;高级氧化能够使PS在最初的0—20 d内即会发生破碎,而PE需要一段初始感应时间,其破碎主要发生在5—30 d内[75]。然而,现阶段吸附实验中统一的、较短的老化时长无法反映环境中老化MPs的环境风险。
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目前,关于环境影响因子的研究主要集中在有机质、pH和盐度等3个方面,其他因素还包括温度。表2总结了有关MPs吸附影响因子的相关研究。
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有机质广泛存在于土壤和水生环境中,将与MPs产生不同程度的融合(包括生物膜与MPs表面的结合),从而影响其吸附行为。(1)有机质可以直接与污染物竞争MPs上的吸附位点,从而降低MPs对污染物的吸附[35]。Abdurahman等[97]研究了HA和FA在PS上的非线性吸附,发现芳香性更高的HA对MPs具有更强的亲和力。(2)具有丰富官能团结构的有机质可以覆盖MPs表面并改变其疏水性、极性和表面电荷,从而改变MPs对污染物的吸附亲和力。例如,在pH>6时,HA带负电荷,具有多个可电离官能团的两性分子TC的主要形式是阴离子,这可能导致HA与TC之间发生静电排斥从而降低TC在MPs上的吸附[35]。(3)有机质本身可以通过络合和氢键与亲水性和极性有机污染物发生相互作用,从而影响污染物在MPs上的吸附。目前,HA与四环素类抗生素的络合机制已在众多研究中提出,即阳离子或两性离子的四环素类物质通过氢键和阳离子交换与HA上的去质子化位点复合,这种复合作用可以起到桥梁作用,促进抗生素在MPs上的吸附[76]。例如,Zhang等[76]指出,HA的桥梁作用促进了OTC在老化PS上的吸附。然而,Wu等[98]却发现HA降低了4MBC、EE2和TCS在PE的吸附。造成HA影响效果差异的原因主要是由于目标MPs的结构差异及其与HA分子的亲和力不同。PS中大量的缩合结构域可以增强对HA的非线性吸附[67],同时其苯环结构能够通过π-π共轭与DOM的芳族结构相互作用[99]。而PE在结构上与PS大不相同,由于HA的亲水性,其与PE的结合作用可忽略不计[98, 100]。(4)有机质还可以通过与MPs和重金属形成三元络合物影响重金属在MPs上的吸附。Guo等[101]发现,由于HA与Cd2+的亲和力,可以促进MPs对Cd2+的吸附。首先,溶解的HA与Cd2+的结合可能导致溶液中保留额外的Cd2+。其次,HA可以被吸附在MPs的表面,将HA结合的金属带到MPs表面。此外,由于静电协同作用,吸附在MPs上的HA负电荷将促进金属离子的吸附。因此,形成的MPs-金属-HA离子的三元络合物可以促进Cd2+的吸附。
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盐度对MPs吸附行为的影响与吸附过程涉及的主要机制有关。如果MPs与污染物的主要相互作用机理为静电相互作用,盐离子可以通过阳离子交换或压缩双电层[102]降低MPs的吸附能力。在溶液环境中,MPs带负电[17],带正电的盐离子倾向于通过静电吸引与MPs相互作用,与污染物离子竞争MPs上的吸附位点,从而降低污染物离子在MPs上的吸附[37, 45]。例如,Na+可以竞争OTC在原始和老化PS上的阳离子交换位点(即-COOH),降低其吸附[76]。Li等[17]和Liu等[39]也指出,盐度抑制了CIP在各类型MPs上的吸附,且由于阳离子竞争,MPs吸附效率降低约70%。该现象也可以解释为盐析作用,即NaCl可以通过增加溶液的粘度和密度抑制从水相到固相的传质[103]。相反,如果静电相互作用不是主要机理,则盐度的抑制作用较小。例如,盐度的变化对TC[21]和SMX[8]的吸附没有明显影响。盐度对老化PS吸附OTC的抑制作用远远弱于原始PS,这是由于OTC在老化MPs上的吸附是由阳离子交换以外的其他替代机制(氢键或疏水相互作用)控制[76]。
关于阴离子对MPs吸附影响的研究相对较少。Pascall等[64]的研究指出,PCBs在原始PVC上的吸附随着Cl−浓度的增加而降低。Liu等[39]也发现随着NaCl浓度的增加,原生PVC和老化PVC对CIP的吸附能力下降。这是因为Cl−能够增加PVC的内聚力,增强PVC链之间的吸引力,从而降低PVC的自由体积。自由体积的减小可以增加PCBs在PVC材料中的扩散难度,使得其吸附容量下降。
盐度也可能增强MPs的吸附能力,这可能是由于盐析作用或外球表面络合对离子强度的敏感性。Liu等[60]发现盐度的增加将降低E2的溶解度(即盐析效应),从而间接增强E2与某些类型的MPs之间的疏水相互作用。Hu等[104]研究表明,随着盐度的增加,PE和PS对润滑油的吸附能力显著提高。Wang等[36]也发现,盐度的增加会增强PE对PFOS的亲和力。此外,Zhang等[76]发现在Ca2+溶液中,OTC在MPs上的吸附强于Na+,表明Ca2+能够和OTC与表面官能团之间形成三元络合物,增强OTC的吸附。
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pH值可以决定MPs的电负性。在酸性环境下,MPs表面被质子化或带正电;在碱性环境下,MPs带负电荷,从而通过静电相互作用影响MPs的吸附行为。以重金属为例,Holmes等[45]发现随着pH的增加,PE带负电荷,由于静电吸引,其对Cd、Co、Ni和Pb的吸附增加。
对于离子化合物,pH值还会影响有机污染物的带电状态,对吸附质和吸附剂造成双重影响。Liu等[39]发现,当pH<5时,PS带负电,CIP带正电;在此范围内,随着pH的增加,H+浓度减小,其对CIP+的抑制作用减弱,因而PS对CIP的吸附增加。当pH进一步增加时,由于CIP+变为CIP-,吸附效率迅速下降,且CIP与MPs之间的静电斥力抑制了吸附。Zhang等[76]研究表明,OTC在pH<3.27时主要以阳离子形式存在,在pH=3.27—7.32时主要以两性离子形式存在,在pH>7.32时以阴离子(OTC-和OTC2-)为主;在pH≈5处,OTC两性离子比例最高(97.7%),老化PS接近其零电荷点(PZC4.96),对OTC的静电排斥最低,因此具有最高的吸附容量。Xu等[21]发现,在pH=6时,PS、PP和PE对TC两性离子的吸附水平达到最大值,当pH降低时,TC主要以阳离子形式存在,且MPs带正电;当pH升高时,TC主要以阴离子形式存在,且MPs带负电。因此,静电排斥作用决定了在酸性或碱性环境中的吸附过程,抑制了吸附。Wang等[36]研究指出,在pH=3—7范围中,PFOS主要以阴离子形式存在,当pH降低时,PE和PS表面可以被质子化,导致更多的阴离子PFOS分子吸附在PE和PS表面。对于非离子化合物,pH值的变化对吸附的影响很小。例如,Hu等[104]的实验证据表明,润滑油在PSMPs上的吸附对pH没有明显的依赖性。
2.1. MPs类型和性质
2.1.1. 官能团结构
2.1.2. 尺寸或比表面积
2.1.3. 结晶度或玻璃转化温度
2.2. MPs老化
2.3. 环境因素
2.3.1. 有机质
2.3.2. 盐度
2.3.3. pH
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现阶段,各种动力学模型已经被应用于描述MPs的吸附过程,例如,准一阶(pseudo-first order,PFO)、准二阶(pseudo-second order,PSO)、Elovich和混合阶(mixed-order,MO)动力学模型,其表达式及特征如表3所示。
大量关于MPs吸附的研究常采用PFO和PSO动力学模型[8, 19, 23, 58, 105],并通过分析相关系数(R2)或其他统计参数得出其是否能准确描述动力学实验数据的结论。例如,Costa等[106]比较得出,相较于PSO和Elovich,PFO模型更适合描述OA在EPS(R2=0.956)、PS(R2=0.943)和PET(R2=0.992)上的吸附过程。然而,PFO和PSO的应用局限于特定的吸附条件和某一阶段,无法反映整个吸附过程。实际的吸附过程可能包括PFO和PSO,所以采用MO能更好地描述MPs整个吸附过程的动力学[107]。Guo等[107]采用MO模型很好地拟合抗生素在老化的微塑料上的吸附动力学。其中,SMT的k1=0,表明吸附受PSO动力学控制,即SMT吸附在MPs的活性位点上;而SMX和CEP-C的k1和k2均不为零,表明在MPs上的吸附过程可能同时包括外/内扩散和活性位点上的吸附。
常见的吸附等温线模型包括Henrry、Langmiur和Freundlich等,其表达式如表3所示。大量研究比较了不同吸附等温线在MPs吸附中的应用效果。对于TYL在PE、PP、PS和PVC上的吸附,其拟合程度按照Henrry>Freundlich>Langmiur递减[23]。对于PYR在PE、PS和PVC上的吸附,Wang等[105]比较Freundlich、Langmiur、Tempkin、Dubinin-Radushkevich和Redlich-Petersen后得出,Langmiur是最佳拟合模型。此外,Henrry还适合描述抗生素在老化PS和PE上的吸附[19];Langmiur对三(2,3-二溴丙基)异氰脲酸酯和六溴环十二烷在PP上的吸附具有良好的拟合效果[108];非线性Tempkin可以很好地描述Sr2+在PA、PS和PP上的吸附[109]。
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目前,关于MPs对不同污染物吸附机制的研究尚处于初级阶段,所报道的吸附数据害不能满足进一步研究的需求。传统的实验方法需要较长的平衡时间和严格的实验控制以获得吸附实验参数,具有成本高、耗时长等劣势。近年来,一些研究基于定量结构-性质关系模型(QSPR)的机理,将多参数线性自由能关系模型(pp-LFER)应用于预测MPs吸附行为,能够有效解决上述瓶颈[27, 110-112]。pp-LFER模型的表达式如下[111]:
其中,lgKi, p/w表示给定的MPs(i)在有机相(p)和水相(w)之间的对数分布系数。相位描述符E代表过量的摩尔折射;S,双极性/极化率;A,溶质氢键酸度;B,溶质氢键碱度;V,McGowan特征体积。
pp-LFER不仅可以提供预测得到的Kd值,也能促进对吸附机理的分析[113-115]。Wei等[110]指出,pp-LFER能够有效预测PCBs、氯苯、PAHs、抗生素、芳烃、脂肪烃、六氯环己烷和PFASs在PE、PP、PS和海水、淡水、纯水中的分配。通过对描述符的进一步分析发现,疏水相互作用是主要的吸附机理,π-π相互作用对含苯环微塑料(PS)的吸附也起着至关重要的作用;氢键碱度和空腔形成能够决定化合物的分配趋势;MPs的结晶度、芳香性和水环境的盐度都会影响其吸附能力。Hüffer等[27]采用各种内部和外部验证方法测试了pp-LFER模型的稳健性,得出该模型可以有效预测老化PS与有机化合物分子之间的相互作用。Uber等[111]采用pp-LFER预测了非离子有机化合物在原始和老化PS上的吸附,发现PS的非线性吸附受摩尔体积和相位描述符S控制,且PS的相位描述符与其他MPs存在明显不同(即描述符E和S)。Li等[112]进一步开发了pp-LFER并应用于不同水环境pH值条件下的MPs吸附行为的预测,成功得到了各种pH值下可电离化合物的lgKd值。
现阶段,预测模型在MPs吸附中的应用尚处于起步阶段。预测模型能够快速估计不同水环境中有机污染物在MPs上的吸附能力,为MPs进一步的生态风险研究提供必要的机理信息,有待进一步开发.
3.1. 吸附模型
3.2. 预测模型
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现阶段,MPs由于其作为污染物载体的能力及潜在的生态风险而广受关注。野外监测和实验室尺度上关于微塑料吸附机理的研究已逐步开展。然而,由于MPs、污染物和环境因子的复杂性,关于不同MPs对单一污染物的吸附机理的认知十分欠缺。其次,环境中往往是多种污染物或多种MPs同时存在,势必会导致其在同种MPs上的竞争吸附和不同MPs间的分配差异。再次,MPs在进入土壤环境前、后势必会经历各种老化过程,其吸附行为也会发生不同程度改变,相关研究尚处于起步阶段。最后,现象动力学和预测模型的应用较少,对吸附机理的解释和广泛预测相对有限。
由此,本文提出以下展望:①开展更广泛且系统的研究,厘清MPs与不同类型污染物的相互作用机制及各影响因子的贡献;②探索复合污染物与MPs的相互作用机制,客观反映MPs的生态风险;③系统开展MPs老化机理及其对吸附行为的影响研究,建立老化程度-MPs特性-吸附能力的关系曲线,逐步解译MPs的长期环境行为;④进一步应用和开发吸附相关的混合阶动力学模型、传质/现象动力学模型及预测模型,实现对MPs生态风险的快速预测评估。