光照老化进程中微塑料对水体中重金属的环境行为影响与机理研究

To find out the effects of microplastics during light aging process on the transport of heavy metals in aquatic environment, the adsorption of Cu2+ and Zn2+ by the aged mircroplastics in terms of structure, morphology and chemical characteristics will be investigated in this research. Furthermore, the mechanism of aged mircroplastics influencing on the transport of heavy metals in the aquatic environment will be illuminated. Meanwhile, the toxic effects of the combination of aged microplastics and heavy metals on typical phytoplankton-zooplankton can be explored based on the lab-scale and field experiments. Besides, the cooperation and competitive behavior of the compound pollution under this condition will also be revealed. The results of this study can not only indicate the ecological and environmental effects with the coexistence of microplastics and other contaminants, but also can provide the scientific data for the wastewater treatment in the presence of microplastics.

本项目针对老化进程中微塑料对水体中重金属离子的环境行为影响与机制尚不明晰的研究现状，以Cu2+、Zn2+等水体中典型重金属离子为目标污染物，揭示不同老化程度微塑料的结构、形貌与表面化学性质对重金属离子吸附行为的影响与匹配构效关系，在此基础上，阐明老化微塑料对水体中重金属污染物迁移行为的影响与作用机制。同时，结合室内模拟与野外验证实验，通过评价重金属在浮游植物和浮游动物体内的富集效应，揭示老化微塑料与重金属对典型浮游生物的毒性效应，以及上述复合污染体系中可能存在的协同-竞争作用机制。本项目研究成果可以为科学评价老化微塑料与重金属污染物共存体系下的水生态环境效应研究提供理论基础，也为微塑料存在下的污水治理技术提供技术支撑。

微塑料（MPs）容易吸附水体中污染物，对水生生物产生毒性效应，同时环境老化因素对微塑料结合污染物的环境行为和复合生态效应产生较大影响，因此，全面科学评价受环境作用下的微塑料的生态效应具有重要的理论价值。本研究通过模拟光照老化行为，揭示了不同种类微塑料其表面粗糙度、晶体形貌、比表面积和孔道分布等物理结构特征与老化程度之间构效关系，分析光氧化反应中微塑料表面化学基团及带电性的变化特征，阐明了老化对微塑料物化特性影响机制，为分析老化微塑料对重金属迁移行为影响提供理论基础。利用伪一级/二级动力学模型和颗粒内扩散模型研究老化微塑料对重金属吸附行为，得到控制吸附速率的关键驱动因子，其中原始微塑料（V-MPs）的吸附机理以粒子内扩散为主，而紫外老化微塑料（UV-MPs）与生物老化微塑料（Bio-MPs）的吸附速率受结合扩散层控制，通过Langmuir和Freundlich 拟合模型分析，结合微塑料表面化学性质变化表征，阐明了不同类型微塑料的吸附机理，其中V-MPs主要为单层吸附和物理吸附；UV-PS对重金属为多层吸附，包括静电引力和含氧官能团参与的化学吸附过程，Bio-PS对重金属的吸附是多层、非均相的吸附行为，其吸附机理包括物理、化学和生物吸附，表面含氧和含氮基团均参与了吸附过程。通过开展微塑料吸附重金属污染物对浮游植物（莱茵衣藻和铜绿微囊藻）和浮游动物（大型溞）的毒性效应影响研究，科学评价藻类生长率和光合效率、大型溞的致死率和繁殖率，以及酶活性等生物性指标，阐明复合体系下的生物效应响应机制，结合重金属离子在生物体内的富集量和关键影响因子，揭示了微塑料吸附重金属污染物对典型浮游生物的毒性效应影响及其在浮游生物体内的富集效应，掌握了老化微塑料吸附重金属污染物对浮游生物的毒性效应影响规律，并为深入了解环境中微塑料与其他污染物共存条件下的生态效应研究提供理论基础。