郭學濤教授團隊在微塑料的環(huán)境行為與環(huán)境效應方面取得系列進展

近日，郭學濤教授團隊在環(huán)境領域知名期刊《Environmental Science ＆ Technology》上連發(fā)三篇文章，系統(tǒng)闡述了微塑料進入環(huán)境后的老化過程與機制及其產(chǎn)生的環(huán)境效應。碩士生張夢巍、潘建睿和陳浩為該論文的第一作者，郭學濤教授為論文通訊作者。

溶解性有機質(zhì)作為一種具有氧化還原活性的復雜異質(zhì)有機混合物，可通過吸附、結合和光敏化等多種形式與微塑料相互作用，進而影響微塑料的環(huán)境命運。其中，溶解性有機質(zhì)的分子量在決定溶解性有機質(zhì)介導下微塑料老化過程中扮演著重要角色，但關于溶解性有機質(zhì)的分子量在該過程中的具體作用目前尚不清楚。為此，該團隊探究了溶解有機質(zhì)的分子量對微塑料在水環(huán)境中的光老化過程的影響與機制（圖1）。結果表明：微塑料的老化在很大程度上取決于共存溶解性有機質(zhì)的分子量。其中，低分子量溶解性有機質(zhì)（< 1 kDa）中的高光敏熒光成分明顯高于其他分子量（>30、5?30和1?5 kDa），其可通過降低光屏蔽效應、提供供電子能力和增強活性物種產(chǎn)生，從而顯著促進了微塑料的光老化。值得注意的是，在黑暗條件下，低分子量溶解性有機質(zhì)中的酚類和醌類物質(zhì)可通過電子穿梭和氧化還原循環(huán)產(chǎn)生羥基等活性物質(zhì)，促進了微塑料的老化。該研究對了解微塑料在地表中的遷移轉(zhuǎn)化有更廣泛的影響。此成果以“Molecular Weights of Dissolved Organic Matter Significantly Affect Photoaging of Microplastics”為題發(fā)表在Environmental Science ＆ Technology。

圖1 不同分子量的??溶解性有機質(zhì)對微塑料光老化影響的內(nèi)在機制

此外，進入環(huán)境的MPs在各種環(huán)境因素的作用下除了發(fā)生持續(xù)地老化，還會釋放出大量微塑料源溶解性有機質(zhì)（MPs-DOM）。這些MPs-DOM作為環(huán)境中的一種新型碳源，具有豐富的羧基、羥基等官能團，能通過表面絡合或電子傳遞等方式直接或間接影響本身、鐵礦物以及其他化合物的形態(tài)和命運。首先，作為一種不可忽視的DOM類型，

MPs-DOM的光反應性有待進一步探索與研究。為此，該團隊探討了水環(huán)境中MPs-DOM的光反應性差異（圖2）。研究表明：聚苯乙烯（PS）/聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）/聚己二酸-對苯二甲酸丁二酯（PBAT）-DOM 含有較多的不飽和芳香族成分，而 PE/PP-DOM 則含有較多的飽和脂肪族成分，因此PS/PET/PBAT-DOM具有更強的光反應性。與飽和脂肪族分子相比，不飽和芳香族分子更容易被降解。 PS/PET/PBAT-DOM 主要通過羥基 (?OH)攻擊不飽和芳香族結構被降解，而PE/PP-DOM主要通過單線態(tài)氧 (¹O₂)氧化脂肪側鏈。MPs-DOM的光降解表現(xiàn)出由芳香不飽和分子向脂肪飽和分子遞減的趨勢。這些發(fā)現(xiàn)有助于了解水生環(huán)境中 MPs-DOM 的光學性質(zhì)和組成演變，最終加深對 MPs-DOM 命運和環(huán)境影響的認識。此成果以“Interactions between Iron Minerals and Dissolved Organic Matter Derived from Microplastics Inhibited the Ferrihydrite Transformation as Revealed at the Molecular Scale”為題發(fā)表在Environmental Science ＆ Technology。

圖2 不同MPs-DOM的光反應性差異和作用機制圖

其次，MPs-DOM還會與鐵礦物發(fā)生相互作用，嚴重影響礦物的環(huán)境行為。然而，目前相關研究多關注于MPs-DOM與針鐵礦、赤鐵礦和纖鐵礦等高結晶型鐵礦物的吸附行為，關于MPs-DOM與弱結晶型亞穩(wěn)態(tài)鐵礦物的復合共沉淀轉(zhuǎn)化過程和相互作用機制卻知之甚少。為此，該團隊以環(huán)境中常見的無定形鐵氧礦物—水鐵礦為研究對象，對比分析了不同MPs-DOM對水鐵礦轉(zhuǎn)化的影響。研究結果表明，MPs-DOM中的羧基和羥基通過與第一殼層的鐵原子發(fā)生相互作用，從而抑制了Fh向赤鐵礦（Hm）的轉(zhuǎn)化。其中，對Fh轉(zhuǎn)化的抑制作用以PS-DOM最為顯著，其次是PBAT-DOM和PE-DOM。另外，高氧含量、高不飽和度的MP-DOM組分，如酚類化合物和縮合多環(huán)芳烴（MW > 360 Da），表現(xiàn)出較強的礦物吸附親和力。該研究從分子尺度揭示了微塑料釋放溶解性有機物與水鐵礦的相互作用，為準確預測復雜自然環(huán)境中鐵礦物及MPs-DOM的行為和命運提供了深刻的理論依據(jù)。此成果以“High-Resolution Mass Spectrometry Combined with Reactive Oxygen Species Reveals Differences in Photoreactivity of Dissolved Organic Matter from Microplastic Sources in Aqueous Environments”為題發(fā)表在Environmental Science ＆ Technology。

圖3 MPs-DOM與水鐵礦的相互作用

以上研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃子課題及學校“雙一流”經(jīng)費的支持。

文章鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c03322；

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c03901；

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c04608