微塑料老化过程及其环境行为与毒性变化的机理研究

The potential risks of microplastics in the environment has drawn global attention. The weathering process of microplastics in natural environment will significantly change their physical and chemical properties which can greatly affect their environmental behavior and toxicity. Aiming on this important issue, the current project will develop an efficient method to obtain microplastic samples with different weathering characteristics by enhanced oxidation process in laboratory. The key characteristics positively related to the weathering extent of microplastics will be selected through analysis of the changes of particle size, surface morphology, composition of functional groups, specific surface area, and surface hydrophobicity in the weathering process. Furthermore, a quantitative relationship between laboratory enhanced weathering process and the long term weathering process of microplastics in natural water environment will be established by comparing the weathering characteristics of microplastics in the two processes. Following the obtain of microplastic samples with different weathering extent, the sorption/desorption mechanism of hydrophobic and hydrophilic organic pollutants on microplastics and the toxicity effects of microplastics on aquatic organisms will be examined. The difference of weathering extent on the sorption/desorption capacity and toxicity of microplastics will be explored. The results will provide important scientific information on accurate evaluation of the changes of environmental behavior and ecological risks of microplasstics through weathering in natural water.

环境中微塑料具有的潜在生态风险已引起全球科学家的高度关注，微塑料在环境中不断老化造成其理化性质的改变是影响其环境行为和生物毒性的关键。本项目针对这一重要科学问题，开展实验室强化老化获取不同老化程度微塑料的方法研究，通过对老化过程中微塑料粒径、表面形貌、官能团组成、比表面积、表面疏水性等指标的表征，筛选定量表征微塑料老化程度的关键指标；并通过与其在典型天然水样中的长期老化过程比较，建立强化老化与自然条件下微塑料老化时间和程度的关系模型，获取能反映实际环境中不同老化程度的微塑料样品；开展老化微塑料对亲水和疏水有机物的吸附/解吸机制和对典型水生生物的毒性研究，并关注水体有机质等成分对微塑料吸附/解吸行为和毒性的影响，揭示不同老化程度微塑料及其吸附化学物质对水生生物的毒性差异和机制。为全面准确评价天然水体微塑料长期老化对其环境行为和生态风险的影响提供重要的科学依据。

微塑料在环境中不断老化造成其理化性质的改变是影响其环境行为和生物毒性的关键。针对这一重要科学问题，以目前广泛使用的微塑料颗粒聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）和聚氨酯（PU）人造革为研究对象，系统研究了芬顿体系和活化过硫酸盐两种高级氧化技术和紫外光对微塑料的强化老化作用，采用多种仪器分析手段表征了老化过程中微塑料表面形貌、官能团组成、粒径、比表面积、表面疏水性和溶液中降解产生的小分子有机物浓度等指标的变化，分析了这些指标与其老化程度的关系，筛选出了羰基指数和氧碳比作为反映微塑料老化程度的关键指标。对比了PS和PE微塑料在实验室加速老化与其在典型地表水样中自然光长期老化的异同，基于羰基指数和氧碳比建立了强化老化与自然老化微塑料老化程度和时间的关系模型。研究了紫外光对PC、PET、PU等微塑料的强化老化过程，探究了PC光降解过程中的链断裂与双酚A(BPA)释放行为，发现PC释放的总有机碳约为其总质量的1.36%，浸出液中BPA只占浸出产物中TOC的2.7%左右。研究了合成革PET底布光降解过程中微塑料纤维(MPFs)的形成，发现有大量MPFs从片状纺织物中分离出来，合成革PET由于胶粘剂和上层PU材料的原因，初期减缓其降解，但后期因PU层的光降解促进了PET纤维的释放。探究了水环境中有机质、硝酸根和氯离子对PP微塑料光老化过程的影响，发现有机质减缓PP的老化，而氯离子对老化有促进作用。研究了抗氧剂和颜料在微塑料老化过程中的作用及机理。比较了原始和老化微塑料对环丙沙星、阿托伐他汀和氨氯地平吸附机制的差异；探讨了老化PP对三氯生的吸附以及离子强度对吸附量的影响，从盐析、挤出和静电屏蔽三个方面揭示了离子强度的影响机理；探究了微塑料吸附的药物在模拟海水、胃和肠道环境的解吸机制以及老化过程对微塑料解吸行为的影响，评价了微塑料吸附药物对水生生物的生态风险。项目的研究结果为全面准确评价天然水体微塑料长期老化对其环境行为和生态风险的影响提供重要的科学依据。