風化作用對微塑料影響的研究

張楠,徐一盧,陳蕾

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

如今，塑料因其耐用性和低成本而廣泛應用于日常生活[1]。雖然塑料給我們的日常生活帶來了極大的便利，但也產(chǎn)生了大量的塑料廢棄物。據(jù)報道，環(huán)境中累積了49億 t塑料廢物[1]。散裝塑料垃圾不僅會對生物體造成傷害，還會碎裂成更小的顆粒[2-4]。在這些顆粒中，微型塑料(MPs)(<5 mm)可能是環(huán)境中數(shù)量最多的塑料碎片[5-7]。

1 微塑料的危害

研究表明，微塑料可能通過攝入對水生生物的腸道產(chǎn)生直接影響[8-9]。此外，吸附在微塑料上的環(huán)境污染物可能會轉(zhuǎn)移到生物體中[10-11]。被生物攝入后，塑料中的添加劑可能會釋放到生物體中[12]。污染物和添加劑從微塑料中向生物體的轉(zhuǎn)移受到許多因素的影響，例如聚合物和化學品的性質(zhì)、腸道條件以及微塑料與生物體之間化學品的逸度梯度[13-15]。除此之外，微塑料在環(huán)境中還會吸附、濃縮各種有機污染物，從而對環(huán)境產(chǎn)生危害。微塑料本身所具有的毒性同樣不容小覷，由于塑料是聚合物，不容易降解，因此其可長時間存在于環(huán)境中，受各種環(huán)境因素的影響，微塑料的添加劑會逐漸浸出，而微塑料添加劑本身具有的毒性會對環(huán)境、生物甚至人類的生命健康造成巨大的危害。

2 風化作用

2.1 改變表面性質(zhì)

由于分子組成相同，微塑料的風化機制與宏觀塑料的風化機制相似[16]。研究表明，風化過程顯著改變了微塑料的表面性質(zhì)。一方面，風化導致裂縫的產(chǎn)生[17]以及微塑料隨后的破碎[18-19]。另一方面，在風化過程中，微塑料的力學性能和熱性能可能會因聚合物主鏈斷裂而惡化[20-21]。風化作用也會影響微塑料的結(jié)晶度，因為鏈斷裂降低了非晶相中的糾纏密度，從而進一步允許聚合物分子的重排和二次結(jié)晶[22]。此外，微塑料的表面顏色可能會發(fā)生變化，例如從白色變?yōu)辄S色或黑色[18]，通常，顏色會隨著風化時間的延長而加深。

2.2 官能團的變化

另一方面，風化增加了微塑料上氧官能團的含量[21,23]。研究表明，暴露于海水/陽光條件下3年后，風化聚丙烯、低密度聚乙烯和高密度聚乙烯上的氧官能團含量增加[23]。由于氣候過程中的聚合物鏈斷裂和氧化，分子量將降低[21,24]。Mailhot和Gardette觀察到，在長波長的光照射下，聚苯乙烯的裂解和氧化產(chǎn)生了各種類型的氧化產(chǎn)物，包括苯乙酮、苯甲醛、苯甲酸、苯酐和甲酸等[24]。總之，風化過程顯著改變了微塑料的物理化學性質(zhì)，這可能與它們最初排放到環(huán)境中的形式完全不同。

2.3 添加劑的釋放

添加劑的釋放主要受風化條件(如紫外線、氧氣和水參數(shù)，如pH值和溫度)和塑料和添加劑性能的控制[25]。太陽輻射和氧氣是影響添加劑釋放的最重要因素，因為大多數(shù)微塑料暴露在陽光和環(huán)境中的氧氣中[26]。酸性pH有利于無機添加劑的釋放，高溫明顯促進有機和無機添加劑的釋放[27]。Paluselli等報告稱，光照和細菌條件顯著增加了PVC電纜中鄰苯二甲酸酯(PAE)的釋放，但不能增強聚乙烯袋中PAE的釋放，這表明塑料類型中添加劑的釋放速率不同[25]。添加劑的性質(zhì)會影響其與塑料的結(jié)合能力，例如疏水性添加劑與疏水性塑料之間的高相互作用。與添加劑類似，低分子量和沸點的低聚物也可以從微塑料釋放到環(huán)境中，因為風化可能導致聚合物鏈斷裂[28]。這些化學物質(zhì)很容易轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并通過降雨進一步進入陸地和水環(huán)境，從而在整個生態(tài)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移[29]。

3 風化作用產(chǎn)生的微塑料風險

近年來，由于微塑料的廣泛分布，其污染問題日益引起全球關(guān)注。此外，大多數(shù)微塑料在環(huán)境中經(jīng)歷了廣泛的風化，并且微塑料可能表現(xiàn)出不同于原始物質(zhì)的物理化學性質(zhì)。在環(huán)境中，微塑料受各種風化過程的影響，包括紫外線(UV)輻射、生物降解、物理磨損和化學氧化[30]。這些過程不僅可以改變微塑料的表面性質(zhì)[17-18]，而且還可以促進添加劑和多磺酸衍生中間體的釋放[25]。

3.1 風化作用影響微塑料對污染物的吸附

此外，風化作用影響微塑料對環(huán)境污染物的吸附。因為生成的含氧基團增加了微塑料表面的極性、親水性和電荷，并進一步影響微塑料與環(huán)境污染物之間的相互作用[31-33]。此外，較小碎片的比表面積增加了其對污染物的吸附[33-34]。特別是，由于微塑料性質(zhì)的改變以及與污染物的直接相互作用、環(huán)境成分(如天然有機物、鹽度和帶電礦物)可能會影響微塑料的吸附行為[35]。

3.2 對生物攝取微塑料的影響

風化過程可能影響生物體對微塑料的攝取，因為其物理化學性質(zhì)發(fā)生了變化，包括破碎、黃變效應、含氧基團的形成和生物膜。粒徑是影響微塑料生物攝取和排出的關(guān)鍵因素，一般來說，較小粒徑的微塑料更容易被生物攝取和排出[35]。此外，顆粒大小的變化會影響微塑料在生物體組織中的分布[35]。在水生環(huán)境中，風化過程有利于生物膜的形成，這可能會影響生物體對微塑料的攝取[35]。

3.3 滲濾液潛在風險

在微塑料風化過程中，化學品(包括添加劑和塑料衍生中間產(chǎn)物)在濾液中的釋放會引起間接風險[36-37]。垃圾滲濾液對生物體的毒性受來自周圍環(huán)境的吸附污染物的類型和濃度的影響[36-37]。Gandara等經(jīng)過實驗觀察得出結(jié)論認為，環(huán)境污染物是造成母體毒性的主要原因，而添加劑則會引起毒性反應[36]。雖然實驗證實了微塑料衍生化學品的毒性，但由于檢測方法和化學類型之間的復雜性，導致滲濾液毒性的化學品結(jié)構(gòu)并不清楚。

3.4 風化后微塑料的毒性

風化的微塑料可能由于不同的大小和顏色而表現(xiàn)出不同的毒性效應[38-41]。由于生物體的口腔大小有限[40]，因此更小尺寸的微塑料可能更容易被生物體(例如牡蠣幼蟲和線蟲)攝取。此外，微塑料的顏色可能會影響攝食，因為一些生物是視覺捕食者，可能以與其獵物相似的微塑料為食[38-39]。從聚苯乙烯(PS)等微塑料的風化過程中釋放的添加劑(如壬基酚(NP)和溴化阻燃劑(BFRs)和微塑料衍生的中間體(如低聚物和含氧化合物)，聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)將會潛在地引起由于急性毒性導致的蚌、魚和蟲的較高死亡率的不利影響[35]。

4 研究展望

風化作用會導致微塑料的表面性質(zhì)、吸附行為等發(fā)生變化。由于風化作用使得微塑料發(fā)生的大小、顏色和表面電荷變化，會影響水生生物對微塑料的攝入[36]。此外，含有添加劑以及微塑料衍生化合物的滲濾液可能對生物體產(chǎn)生毒性作用。然而，目前的研究還不能完全評價風化作用對微塑料環(huán)境行為的影響，特別是長期的風化作用，因此對未來的研究建議如下：

(1)應該通過加速風化反應研究微塑料的短期和長期風化特性，進而分析風化過程中微塑料衍生中間體和添加劑的結(jié)構(gòu)等詳細信息。

(2)需要增加對有關(guān)風化微塑料對添加劑和環(huán)境污染物的吸附以及風化微塑料釋放的化學物質(zhì)進行深入研究，進而獲得其組成、成分等更多相關(guān)信息。

(3)需要開展更多的工作來調(diào)查風化微塑料和相關(guān)化學品對生物體的影響。

(4)研究結(jié)果表明，在環(huán)境中，風化有利于微塑料表面生物膜的形成，從而影響微塑料對污染物的吸附和微塑料對水中生物的風險。因此應進一步研究對風化微塑料的吸附行為和潛在毒性的影響。