郭学涛教授团队在微塑料的环境行为与环境效应方面取得系列进展

近日，郭学涛教授团队在环境领域知名期刊《Environmental Science ＆ Technology》上连发三篇文章，系统阐述了微塑料进入环境后的老化过程与机制及其产生的环境效应。硕士生张梦巍、潘建睿和陈浩为该论文的第一作者，郭学涛教授为论文通讯作者。

溶解性有机质作为一种具有氧化还原活性的复杂异质有机混合物，可通过吸附、结合和光敏化等多种形式与微塑料相互作用，进而影响微塑料的环境命运。其中，溶解性有机质的分子量在决定溶解性有机质介导下微塑料老化过程中扮演着重要角色，但关于溶解性有机质的分子量在该过程中的具体作用目前尚不清楚。为此，该团队探究了溶解有机质的分子量对微塑料在水环境中的光老化过程的影响与机制（图1）。结果表明：微塑料的老化在很大程度上取决于共存溶解性有机质的分子量。其中，低分子量溶解性有机质（< 1 kDa）中的高光敏荧光成分明显高于其他分子量（>30、5−30和1−5 kDa），其可通过降低光屏蔽效应、提供供电子能力和增强活性物种产生，从而显著促进了微塑料的光老化。值得注意的是，在黑暗条件下，低分子量溶解性有机质中的酚类和醌类物质可通过电子穿梭和氧化还原循环产生羟基等活性物质，促进了微塑料的老化。该研究对了解微塑料在地表中的迁移转化有更广泛的影响。此成果以“Molecular Weights of Dissolved Organic Matter Significantly Affect Photoaging of Microplastics”为题发表在Environmental Science ＆ Technology。

图1 不同分子量的‌‌溶解性有机质对微塑料光老化影响的内在机制

此外，进入环境的MPs在各种环境因素的作用下除了发生持续地老化，还会释放出大量微塑料源溶解性有机质（MPs-DOM）。这些MPs-DOM作为环境中的一种新型碳源，具有丰富的羧基、羟基等官能团，能通过表面络合或电子传递等方式直接或间接影响本身、铁矿物以及其他化合物的形态和命运。首先，作为一种不可忽视的DOM类型，

MPs-DOM的光反应性有待进一步探索与研究。为此，该团队探讨了水环境中MPs-DOM的光反应性差异（图2）。研究表明：聚苯乙烯（PS）/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）/聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯（PBAT）-DOM 含有较多的不饱和芳香族成分，而 PE/PP-DOM 则含有较多的饱和脂肪族成分，因此PS/PET/PBAT-DOM具有更强的光反应性。与饱和脂肪族分子相比，不饱和芳香族分子更容易被降解。 PS/PET/PBAT-DOM 主要通过羟基 (•OH)攻击不饱和芳香族结构被降解，而PE/PP-DOM主要通过单线态氧 (¹O₂)氧化脂肪侧链。MPs-DOM的光降解表现出由芳香不饱和分子向脂肪饱和分子递减的趋势。这些发现有助于了解水生环境中 MPs-DOM 的光学性质和组成演变，最终加深对 MPs-DOM 命运和环境影响的认识。此成果以“Interactions between Iron Minerals and Dissolved Organic Matter Derived from Microplastics Inhibited the Ferrihydrite Transformation as Revealed at the Molecular Scale”为题发表在Environmental Science ＆ Technology。

图2 不同MPs-DOM的光反应性差异和作用机制图

其次，MPs-DOM还会与铁矿物发生相互作用，严重影响矿物的环境行为。然而，目前相关研究多关注于MPs-DOM与针铁矿、赤铁矿和纤铁矿等高结晶型铁矿物的吸附行为，关于MPs-DOM与弱结晶型亚稳态铁矿物的复合共沉淀转化过程和相互作用机制却知之甚少。为此，该团队以环境中常见的无定形铁氧矿物—水铁矿为研究对象，对比分析了不同MPs-DOM对水铁矿转化的影响。研究结果表明，MPs-DOM中的羧基和羟基通过与第一壳层的铁原子发生相互作用，从而抑制了Fh向赤铁矿（Hm）的转化。其中，对Fh转化的抑制作用以PS-DOM最为显著，其次是PBAT-DOM和PE-DOM。另外，高氧含量、高不饱和度的MP-DOM组分，如酚类化合物和缩合多环芳烃（MW > 360 Da），表现出较强的矿物吸附亲和力。该研究从分子尺度揭示了微塑料释放溶解性有机物与水铁矿的相互作用，为准确预测复杂自然环境中铁矿物及MPs-DOM的行为和命运提供了深刻的理论依据。此成果以“High-Resolution Mass Spectrometry Combined with Reactive Oxygen Species Reveals Differences in Photoreactivity of Dissolved Organic Matter from Microplastic Sources in Aqueous Environments”为题发表在Environmental Science ＆ Technology。

图3 MPs-DOM与水铁矿的相互作用

以上研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题及学校“双一流”经费的支持。

文章链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c03322；

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c03901；

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c04608