科研进展 | 水环境中微纳塑料的环境行为和治理研究成果

文摘   2024-11-14 22:30   江苏  

作为目前全球重点关注的新污染物之一,微纳塑料在水环境中引起的全球环境和人类健康问题成为了当今环境领域的关注焦点。探究微纳塑料在水环境中的分布特征、迁移机制并进一步探索治理策略,有助于全面了解微纳塑料的环境命运并有针对性地制定污染缓解措施。对此,我院水环境模拟与生态水力学研究所白雪教授团队在城市河网微塑料赋存现状、纳米塑料聚集机制及淡水微塑料污染的自然基缓解策略方面取得了系列研究进展。

(1)揭示了连通性视角下典型城市河网微塑料的分布特征及影响机制

为更好理解城市河网微塑料足迹,以南京市典型城市河网为例,通过实地调查以探明城市河网中微塑料的空间分异,发现城市河流是微塑料重要的“汇”,其分布有着显著的空间异质性。针对城市化因素及河网结构可能对微塑料足迹带来的影响,结合河网连通性评价,探究微塑料的分布特征与环境因素的响应关系,发现建设用地比例、土地综合利用强度、景观破碎度等土地利用因素直接影响微塑料的迁移行为,而河网结构中节点比、河流频率、河网密度等结构因素,通过间接影响微塑料的迁移,导致微塑料区域性滞留,从而促进了微塑料热点的产生。研究结果为城市微塑料的迁移路径提供了新的科学视角。同时,研究团队对微塑料的区域生态风险进行评价,发现城市河流微塑料潜在的高生态风险与微塑料尺寸有着密切的关联,尤其尺寸<50 μm的小微塑料污染风险较高,研究结果可为缓解城市微塑料生态风险提供有针对性的控制措施。

Fig.1 Interventions of river network structures on urban aquatic microplastic footprint from a connectivity perspective

(2)探究了光老化作用下水环境中纳米塑料和悬浮泥沙的异质聚集机制

纳米塑料(NPs)因其强烈的表面效应易与水体中的共存组分发生异质聚集,这将对NPs的反应性、毒性、命运、迁移以及环境风险等方面产生根本性的影响。研究团队选用聚苯乙烯纳米塑料(PSNPs)作为模型NPs颗粒,探究了PSNPs和悬浮泥沙(SS)在不同价态电解质溶液中的异质聚集行为,发现电解质浓度的增加促进了原始和光老化PSNPs与SS之间的异质聚集。二价电解质(CaCl2)比一价电解质(NaCl)能更有效地诱导PSNPs与SS之间的异质聚集。同时,通过分子动力学模拟发现聚苯乙烯和泥沙分子可以自发聚集并形成团簇结构,而且光老化聚苯乙烯比原始聚苯乙烯具有更高的结合亲和力,能与SS形成更稳定的结合模式;最后结合聚集动力学和分子动力学模拟推导了异质聚集机制,发现在NaCl溶液中光老化可通过空间位阻延缓异质聚集,而在CaCl2溶液中通过Ca2+桥接促进异质聚集。研究成果可为NPs和SS的环境过程提供机制见解,对于全面了解NPs在水生环境中的环境命运和迁移至关重要。

Fig.2 Photoaging-induced variations in heteroaggregation of nanoplastics and suspended sediments in aquatic environments: a case study on nanopolystyrene

(3)提出了一种缓解淡水生态系统水体微塑料的自然基解决策略

淡水系统中的微塑料对生态及人体健康有着显著的风险,因此需要开发相应的微塑料污染控制方案。虽然目前已有众多研究通过混凝絮凝、高级氧化等物理化学方法去除污水中的微塑料污染,但仍有大量微塑料逸散至自然水体。使用物理化学方法去除自然水体中的微塑料污染不仅成本高昂且存在二次环境污染的风险。针对以上不足,研究团队开发了有效的低环境影响的自然基解决方案以实现微塑料的长期去除。本研究通过评估不同沉水植物对微塑料的耐受性及去除效率,筛选狐尾藻作为代表性沉水植物,构建了一种微塑料污染自然基解决方案的技术平台。同时,进一步应用响应面法和神经网络建模确定本方案的最佳运行策略,优化后的方案测试得到对微塑料的截留率为70.69%,效果良好,同时模型显现出令人满意的预测性能。在此基础上,将方案应用于实际湖泊水体以评估应用效果。结果显示,本方案对实际测试水体的微塑料平均截留率达到93.38%,具有可观的应用前景,研究结果为治理水体中的微塑料污染提供了一种新的思路。

Fig.3 A low-impact nature-based solution for reducing aquatic microplastics from freshwater ecosystems

上述研究系列成果均发表于环境领域顶尖期刊《Water Research》上,环境学院白雪教授为系列论文的通讯作者。

相关论文信息:

[1]. Interventions of river network structures on urban aquatic microplastic footprint from a connectivity perspective. Water Research 2023, 243, 120418. https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120418.

[2]. Photoaging-induced variations in heteroaggregation of nanoplastics and suspended sediments in aquatic environments: a case study on nanopolystyrene. Water Research 2024, 122762. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122762.

[3]. A low-impact nature-based solution for reducing aquatic microplastics from freshwater ecosystems. Water Research 2024, 268, 122632. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122632.

图文来源:白雪

编辑:严其睿 陶泓宇

审核:姜帆 游修舟

负责:戴玉珍 陈诗宇

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