聚苯乙烯微/纳米塑料对重金属的吸附行为及其对两种典型水生生物的生态毒性研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院武汉植物园) | 被引量 : 7次 | 上传用户:wcjlb
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作为一种新型环境污染物,微/纳米塑料(Micro/nano-plastics)已经广泛分布于世界范围内不同的水环境介质中。由于具有来源广泛、存在周期长、易迁移、可吸附其他环境污染物、尺寸微小和易被水生生物摄入等特点,微/纳米塑料对水环境的影响已逐渐引发全球学者的关注。作为世界上最大的塑料生产国之一,中国水环境中的微/纳米塑料污染状况尤为严重,研究微/纳米塑料的环境行为和生态毒性刻不容缓。由于具有巨大的比表面积,微/纳米塑料能够吸附水环境中的多种污染物,从而对水生生物造成潜在危害。同时,重金属污染也是水环境中普遍存在的问题。然而,目前微/纳米塑料和重金属之间的相互作用机制没有得到足够的重视。目前,关于微/纳米塑料的生态毒性研究多集中在海洋生物上,微/纳米塑料对淡水生物的影响的数据严重不足。研究微/纳米塑料对重金属的吸附行为及其对水生生物的生态毒性,能够为进一步了解微/纳米塑料的环境风险提供重要信息。因此,本研究以聚苯乙烯微/纳米塑料为模型,分析了微/纳米塑料对多种重金属的吸附动力学、吸附等温线和竞争吸附行为。并通过室内暴露实验研究了微/纳米塑料对两种典型水生生物的长期毒性、急性毒性及其与重金属的复合毒性。主要研究结果如下:(1)通过吸附模型对比分析得出,重金属铅和镉在聚苯乙烯纳米塑料(100nm和1000 nm)上的吸附动力学最符合准二级动力学模型,而吸附等温线最符合Langmuir等温线模型。纳米塑料对铅的吸附能力强于镉,小粒径纳米塑料的吸附能力更强。铅和镉两种重金属在聚苯乙烯纳米塑料上存在着竞争吸附关系,其中,铅对镉在纳米塑料上竞争吸附作用要强于镉对铅在纳米塑料上竞争吸附作用。小粒径纳米塑料上发生的竞争吸附关系弱于大粒径纳米塑料,这可能是因为小粒径纳米塑料有着更大的比表面积和更多的重金属吸附位点。(2)批次吸附实验的结果表明,聚苯乙烯微塑料(10μm和50μm)对四种重金属的吸附亲和性为铅>镉>铜>镍,小粒径微塑料的吸附能力更强。准二级动力学模型适用于重金属在聚苯乙烯微塑料上的吸附动力学,Langmuir等温线模型适用于重金属在聚苯乙烯微塑料上的吸附等温线。(3)聚苯乙烯纳米塑料(100 nm)对典型水生植物粗梗水蕨的长期暴露实验表明,纳米塑料会迅速大量地吸附在孢子表面,抑制孢子萌发及配子体发育。此外,纳米塑料可以进入粗梗水蕨配子体的假根,最高浓度的纳米塑料暴露(100μg/mL)可能使粗梗水蕨的配子体发生病变。这些发现表明水环境中的纳米塑料可能对蕨类植物的种群繁殖造成潜在的威胁。(4)聚苯乙烯微/纳米塑料对典型水生动物大型溞的急性暴露实验表明,微/纳米塑料的会影响大型溞的摄食率,并导致大型溞的死亡率增高。100 nm纳米塑料、1000 nm纳米塑料、10μm微塑料和50μm微塑料对大型溞的摄食率的24h-EC50和48 h-EC50分别为0.845、1.201、16.790、76.401μg/mL和0.282、0.495、6.293、50.268μg/mL,对大型溞的24-LC50和48-LC50分别为10.96、12.12、351.95、396.97μg/mL和8.90、9.99、215.64、274.86μg/mL。(5)低浓度微塑料对重金属在大型溞体内的积累没有显著影响,高浓度微塑料导致重金属在大型溞体内的积累量显著增高。重金属大型溞内的积累量的变化与微塑料对重金属的吸附能力有关。微塑料的剂量和颗粒大小都是影响微塑料和重金属对大型溞的复合毒性的重要因素。随着微塑料浓度的增加,重金属和微塑料的复合毒性从拮抗作用转变为加成作用,重金属对微塑料的吸附亲和力越强,与微塑料结合时表现出越强的拮抗作用。较小的塑料颗粒能够导致更严重的危害。
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