微塑料对微量重金属和多环芳烃的吸附机制及其对河流中微藻的影响

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淡水中的微塑料(MPs)、重金属和多环芳烃(PAHs)的复合污染是一个越来越引人关注的问题。重金属和PAHs容易流入河流,造成水污染。MPs作为重金属和PAHs的载体,加快了污染物在淡水系统中的迁移。近年来,MPs对不同环境污染物之间的吸附机理研究越来越多。虽然重金属和PAHs在MPs上的吸附已被广泛研究,但在大多数研究中,这些实验中的污染物浓度远远高于现实的环境浓度,从而导致在MPs和污染物之间的吸附行为中,分配的作用尤为突出,而其他的吸附机制被弱化。而且,关于不同MPs的特异性,对重金属和PAHs吸附能力,目前还缺乏研究。并且在现实环境条件下的水生生态系统中,MPs所吸附的污染物含量一般比其他介质所吸附的污染物低得多。所以,在微量污染物和MPs共存的系统中,其毒性影响值得商榷。因此,评估典型的MPs、重金属/PAHs和微藻之间的相互作用具有重要意义。本论文研究了三种相同粒径的MPs,即聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC),利用吸附动力学和吸附等温线模型分析微量重金属(Pb、Cu、Cr和Cd)和微量PAHs(蒽和萘)的吸附机制,探究在不同温度和盐度条件下,MPs吸附污染物的影响。选择淡水微藻Chlorella vulgaris(GY-D27)作为受训生物体,测定了藻细胞的生长状况以及SOD和CAT的氧化指标,以研究MPs和重金属、MPs和PAHs的复合影响效应。(1)不同的MPs对不同的重金属有着不同的亲和力;PP对四种重金属的吸附亲和性较高。MPs对不同重金属的吸附过程主要遵循准二级动力学模型和Langmuir等温线模型,说明MPs对微量重金属的吸附是以外表面络合作用为主,外球表面络合物是非特异性吸附。并且吸附速率主要受颗粒内扩散的控制。此外,较高的温度和较低的盐度有利于MPs对微量重金属的吸附。FTIR和XPS分析证实,微量重金属在MPs表面的吸附机制以物理作用为主,其中含氧官能团、π-π相互作用、卤素相互作用和静电相互作用发挥了重要作用。(2)MPs对蒽的吸附亲和性强于萘。并且不同类型的MPs对PAHs的亲和性不同。MPs对蒽的亲和性为:PVC>PP>PS;MPs对萘的亲和性为:PP≈PS>PVC。MPs对两种微量PAHs的吸附是非均质的外表面吸附,主要遵循准二级动力学模型和孔隙填充的机制,这说明固液间的吸附速率受化学吸附机理控制,其中,分配效应起着重要作用。此外,较高的温度和较低的盐度有利于MPs对微量PAHs的吸附。从FTIR和XPS分析证实,微量PAHs在MPs表面的吸附机制可能是物理吸附,其中氢键作用和氧官能团发挥了重要作用,π-π堆叠作用在MPs吸附PAHs中起着至关重要的作用,然而在微量PAHs下,卤素相互作用并不明显。(3)通过分析PP、PS和PVC对小球藻(GY-D27)的生长抑制和氧化应激,单一体系MPs或Pb/Nap均对小球藻具有抑制作用;在复合体系下,小球藻生长抑制作用减弱,大尺寸MPs具有缓解抑制生长的作用。并且超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性证实,低浓度化学品和MPs对小球藻的复合影响呈拮抗作用。
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