風化作用對微塑料影響的研究

張楠,徐一盧,陳蕾

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

如今，塑料因其耐用性和低成本而廣泛應用于日常生活[1]。雖然塑料給我們的日常生活帶來了極大的便利，但也產生了大量的塑料廢棄物。據報道，環境中累積了49億 t塑料廢物[1]。散裝塑料垃圾不僅會對生物體造成傷害，還會碎裂成更小的顆粒[2-4]。在這些顆粒中，微型塑料(MPs)(<5 mm)可能是環境中數量最多的塑料碎片[5-7]。

1 微塑料的危害

研究表明，微塑料可能通過攝入對水生生物的腸道產生直接影響[8-9]。此外，吸附在微塑料上的環境污染物可能會轉移到生物體中[10-11]。被生物攝入后，塑料中的添加劑可能會釋放到生物體中[12]。污染物和添加劑從微塑料中向生物體的轉移受到許多因素的影響，例如聚合物和化學品的性質、腸道條件以及微塑料與生物體之間化學品的逸度梯度[13-15]。除此之外，微塑料在環境中還會吸附、濃縮各種有機污染物，從而對環境產生危害。微塑料本身所具有的毒性同樣不容小覷，由于塑料是聚合物，不容易降解，因此其可長時間存在于環境中，受各種環境因素的影響，微塑料的添加劑會逐漸浸出，而微塑料添加劑本身具有的毒性會對環境、生物甚至人類的生命健康造成巨大的危害。

2 風化作用

2.1 改變表面性質

由于分子組成相同，微塑料的風化機制與宏觀塑料的風化機制相似[16]。研究表明，風化過程顯著改變了微塑料的表面性質。一方面，風化導致裂縫的產生[17]以及微塑料隨后的破碎[18-19]。另一方面，在風化過程中，微塑料的力學性能和熱性能可能會因聚合物主鏈斷裂而惡化[20-21]。風化作用也會影響微塑料的結晶度，因為鏈斷裂降低了非晶相中的糾纏密度，從而進一步允許聚合物分子的重排和二次結晶[22]。此外，微塑料的表面顏色可能會發生變化，例如從白色變為黃色或黑色[18]，通常，顏色會隨著風化時間的延長而加深。

2.2 官能團的變化

另一方面，風化增加了微塑料上氧官能團的含量[21,23]。研究表明，暴露于海水/陽光條件下3年后，風化聚丙烯、低密度聚乙烯和高密度聚乙烯上的氧官能團含量增加[23]。由于氣候過程中的聚合物鏈斷裂和氧化，分子量將降低[21,24]。Mailhot和Gardette觀察到，在長波長的光照射下，聚苯乙烯的裂解和氧化產生了各種類型的氧化產物，包括苯乙酮、苯甲醛、苯甲酸、苯酐和甲酸等[24]?？傊?，風化過程顯著改變了微塑料的物理化學性質，這可能與它們最初排放到環境中的形式完全不同。

2.3 添加劑的釋放

添加劑的釋放主要受風化條件(如紫外線、氧氣和水參數，如pH值和溫度)和塑料和添加劑性能的控制[25]。太陽輻射和氧氣是影響添加劑釋放的最重要因素，因為大多數微塑料暴露在陽光和環境中的氧氣中[26]。酸性pH有利于無機添加劑的釋放，高溫明顯促進有機和無機添加劑的釋放[27]。Paluselli等報告稱，光照和細菌條件顯著增加了PVC電纜中鄰苯二甲酸酯(PAE)的釋放，但不能增強聚乙烯袋中PAE的釋放，這表明塑料類型中添加劑的釋放速率不同[25]。添加劑的性質會影響其與塑料的結合能力，例如疏水性添加劑與疏水性塑料之間的高相互作用。與添加劑類似，低分子量和沸點的低聚物也可以從微塑料釋放到環境中，因為風化可能導致聚合物鏈斷裂[28]。這些化學物質很容易轉化為氣態，并通過降雨進一步進入陸地和水環境，從而在整個生態系統中轉移[29]。

3 風化作用產生的微塑料風險

近年來，由于微塑料的廣泛分布，其污染問題日益引起全球關注。此外，大多數微塑料在環境中經歷了廣泛的風化，并且微塑料可能表現出不同于原始物質的物理化學性質。在環境中，微塑料受各種風化過程的影響，包括紫外線(UV)輻射、生物降解、物理磨損和化學氧化[30]。這些過程不僅可以改變微塑料的表面性質[17-18]，而且還可以促進添加劑和多磺酸衍生中間體的釋放[25]。

3.1 風化作用影響微塑料對污染物的吸附

此外，風化作用影響微塑料對環境污染物的吸附。因為生成的含氧基團增加了微塑料表面的極性、親水性和電荷，并進一步影響微塑料與環境污染物之間的相互作用[31-33]。此外，較小碎片的比表面積增加了其對污染物的吸附[33-34]。特別是，由于微塑料性質的改變以及與污染物的直接相互作用、環境成分(如天然有機物、鹽度和帶電礦物)可能會影響微塑料的吸附行為[35]。

3.2 對生物攝取微塑料的影響

風化過程可能影響生物體對微塑料的攝取，因為其物理化學性質發生了變化，包括破碎、黃變效應、含氧基團的形成和生物膜。粒徑是影響微塑料生物攝取和排出的關鍵因素，一般來說，較小粒徑的微塑料更容易被生物攝取和排出[35]。此外，顆粒大小的變化會影響微塑料在生物體組織中的分布[35]。在水生環境中，風化過程有利于生物膜的形成，這可能會影響生物體對微塑料的攝取[35]。

3.3 滲濾液潛在風險

在微塑料風化過程中，化學品(包括添加劑和塑料衍生中間產物)在濾液中的釋放會引起間接風險[36-37]。垃圾滲濾液對生物體的毒性受來自周圍環境的吸附污染物的類型和濃度的影響[36-37]。Gandara等經過實驗觀察得出結論認為，環境污染物是造成母體毒性的主要原因，而添加劑則會引起毒性反應[36]。雖然實驗證實了微塑料衍生化學品的毒性，但由于檢測方法和化學類型之間的復雜性，導致滲濾液毒性的化學品結構并不清楚。

3.4 風化后微塑料的毒性

風化的微塑料可能由于不同的大小和顏色而表現出不同的毒性效應[38-41]。由于生物體的口腔大小有限[40]，因此更小尺寸的微塑料可能更容易被生物體(例如牡蠣幼蟲和線蟲)攝取。此外，微塑料的顏色可能會影響攝食，因為一些生物是視覺捕食者，可能以與其獵物相似的微塑料為食[38-39]。從聚苯乙烯(PS)等微塑料的風化過程中釋放的添加劑(如壬基酚(NP)和溴化阻燃劑(BFRs)和微塑料衍生的中間體(如低聚物和含氧化合物)，聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)將會潛在地引起由于急性毒性導致的蚌、魚和蟲的較高死亡率的不利影響[35]。

4 研究展望

風化作用會導致微塑料的表面性質、吸附行為等發生變化。由于風化作用使得微塑料發生的大小、顏色和表面電荷變化，會影響水生生物對微塑料的攝入[36]。此外，含有添加劑以及微塑料衍生化合物的滲濾液可能對生物體產生毒性作用。然而，目前的研究還不能完全評價風化作用對微塑料環境行為的影響，特別是長期的風化作用，因此對未來的研究建議如下：

(1)應該通過加速風化反應研究微塑料的短期和長期風化特性，進而分析風化過程中微塑料衍生中間體和添加劑的結構等詳細信息。

(2)需要增加對有關風化微塑料對添加劑和環境污染物的吸附以及風化微塑料釋放的化學物質進行深入研究，進而獲得其組成、成分等更多相關信息。

(3)需要開展更多的工作來調查風化微塑料和相關化學品對生物體的影響。

(4)研究結果表明，在環境中，風化有利于微塑料表面生物膜的形成，從而影響微塑料對污染物的吸附和微塑料對水中生物的風險。因此應進一步研究對風化微塑料的吸附行為和潛在毒性的影響。