不同类型微塑料微生物老化行为及其环境效应研究

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近年来,微塑料污染问题已经成为全球生态环境安全领域的一个关注焦点和研究热点。研究报道,微塑料在环境中经过迁移和老化后,其表面性质和表面结构会发生显著改变。污水处理厂中的剩余污泥作为微塑料的一个潜在储存库,针对污泥中微塑料微生物老化行为研究较少。此外,由于微塑料可能作为载体吸附污染物,同时我国是四环素的生产和使用大国,厌氧微生物作用过程中微塑料对四环素吸附行为的变化机制及老化微塑料与四环素的复合毒性与原始微塑料可能存在的差异尚不清楚。因此,本研究结果可为理解微生物驱动的微塑料分解过程提供基础和依据,同时为进一步分析和掌握微塑料表面性质的改变对共存污染物的环境行为和毒性效应提供数据支撑。本研究以聚丙烯(PP-MPs)、聚乙烯(PE-MPs)、聚氯乙烯(PVCMPs)和丁苯橡胶轮胎颗粒(TSBR-MPs)四种微塑料为研究对象,研究其表面性质在厌氧污泥微生物作用过程中的变化特征。此外,选取四环素作为典型抗生素,羊角月牙藻为受试生物,通过吸附试验和毒性试验,探讨微生物作用过程对微塑料对四环素的吸附行为及其复合毒性的影响。本研究的主要结论如下:(1)四种微塑料在厌氧微生物作用下的降解程度有所差异,PPMPs和PE-MPs的-C=O吸收峰强度呈增强趋势;PP-MPs表面CH吸收峰强度增强,而PE-MPs的C=C吸收峰强度减弱;PVC-MPs表面官能团在微生物作用后变化不明显。同粒径TSBR-MPs在厌氧污泥微生物作用下表现出不同的变化行为,其中较小粒径的TSBRMPs新出现O-H的吸收峰,并且其C=C吸收峰强度呈减弱趋势。接触角测量结果表明,经微生物作用后的微塑料亲水性普遍增强。(2)四环素在微塑料上的吸附是先快速吸附,接着慢速吸附到最后逐渐达到吸附平衡的一个过程。此外,该过程能被伪二级吸附动力学很好的描述(相关系数在0.945~1之间),因此,微塑料的表面电荷、表面的功能性位点、液膜扩散、孔隙扩散、电子转移及电子公用等化学过程的影响在吸附过程中占主导。(3)四环素在微塑料上的等温吸附过程受到厌氧微生物作用的影响。其中原始PP-MPs、PE-MPs、PVC-MPs和TSBR-MPs的等温吸附过程可被Langmuir模型更好的描述(相关系数在0.889~0.995之间),经过厌氧微生物作用后,Freundlich模型(相关系数在0.869~0.994)仍普遍低于Langmuir模型(0.949~0.997),但微生物作用后微塑料的Freundlich模型相关系数(0.869~0.994)较原始微塑料有所提高(0.810~0.990)。这表明微塑料在经过厌氧微生物作用后对四环素的等温吸附过程正由原来的以单分子层吸附为主向多分子层吸附为主转变。(4)单一微塑料会抑制羊角月牙藻的生长,随微塑料浓度增加,微塑料对羊角月牙藻的抑制作用增加。相同浓度下,厌氧微生物作用后的微塑料对羊角月牙藻的抑制作用高于原始微塑料。例如,微塑料浓度在2 g/L时,厌氧微生物作用后的微塑料对羊角月牙藻的抑制率(8.29%~42.0%)高于原始微塑料对羊角月牙藻的抑制率(5.62%~40.23%)。(5)复合体系下,四环素和微塑料对羊角月牙藻的毒性明显增强,其中厌氧微生物作用后的微塑料毒性强于原始微塑料。影响复合体系下对羊角月牙藻的毒性因素包括污染物浓度、微塑料的吸附能力和单一污染物对羊角月牙藻的毒性强弱等。
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