暨南大学吴鸣团队JECE：硅藻土对羧基改性纳米塑料在饱和多孔介质中迁移的影响

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成果简介

近日，暨南大学生命科学技术学院生态学系吴鸣副教授团队在环境领域著名期刊 Journal of Environmental Chemical Engineering 上发表了题为题为 “Transport Behavior of Polymeric Methyl Methacrylate Nanoplastics in Saturated and Unsaturated Porous Media: Combined Influence of Electrolyte and Organic Acids” 的论文。主要研究了聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ）纳米塑料在饱和与非饱和多孔介质中的迁移行为，特别关注在复合环境条件下，电解质和有机酸如何共同作用，影响 PMMA 纳米颗粒的迁移与沉积。实验结果表明，在饱和多孔介质中， PMMA 的迁移速率受离子强度的显著影响，且二价离子如钙离子（ Ca² ⁺ ）相较于单价离子如钠离子（ Na ⁺ ）对 PMMA 的迁移表现出更强的抑制效应。此外，在腐殖酸（ HA ）与电解质共存的条件下，腐殖酸浓度的增加对 PMMA 的迁移具有不同的促进 / 抑制作用，具体影响取决于腐殖酸的化学特性及其与 PMMA 颗粒表面的相互作用。相反，低分子量有机酸如柠檬酸（ CA ）对 PMMA 的迁移表现出明确的抑制作用，这与其分子结构、极性等因素相关。另一方面，在非饱和多孔介质中，水分含量降低会显著减缓 PMMA 的迁移，因非饱和条件下，空气 - 水 - 固体界面上形成的毛细力起主要作用，限制了 PMMA 颗粒的迁移。通过 XDLVO 理论计算，量化了 PMMA 颗粒间及其与多孔介质间的相互作用能，为理解 PMMA 纳米颗粒在不同环境条件下的迁移行为提供了定量依据。该研究不仅拓展了对纳米塑料在多孔介质中迁移特性的认知，也为评估其在地下水系统中的环境风险提供了新的科学视角。

近年来，塑料污染成为全球环境科学领域的热点问题。随着塑料制品产量的不断增加和管理技术的局限，大量塑料废弃物进入自然环境中，逐渐分解为微塑料甚至纳米塑料，广泛分布于土壤和水体中。由于这些塑料颗粒的微小尺寸、大表面积及亲油疏水的特性，它们具有较强的迁移能力，能够深入至地下水系统，对水资源和生态安全构成潜在威胁。聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ）被广泛应用于生物医学等领域。然而，尽管目前已在微塑料领域开展了较多研究，但 PMMA 纳米塑料在地下多孔介质中的迁移特性及其与环境条件的相互作用，特别是在复合环境下的迁移规律，仍尚不清楚 。

本文基于对不同电解质（如钠离子和钙离子）和有机酸（如腐殖酸和柠檬酸）条件下的 PMMA 迁移实验研究，通过饱和和非饱和实验系统性分析 PMMA 纳米颗粒在多孔介质中的迁移行为。基于 XDLVO 理论计算相互作用能量，量化了 PMMA 颗粒在不同物理化学条件下的界面相互作用强度，揭示了离子强度、有机酸等因子在颗粒间和颗粒 - 多孔介质间作用的影响机制。本研究的开展不仅为 PMMA 等纳米塑料的环境行为提供了新数据和新见解，也为未来塑料污染防治措施的制定提供了理论支持。

图文导读

图 1. 不同条件下聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ）的透射电子显微镜图像（ TEM ）： (a) 超纯水中 PMMA 颗粒的 TEM 图像； (b) 1mM Na ⁺ 条件下的 PMMA 颗粒，精度为 500 纳米； (c) 1mM Na ⁺ 条件下的 PMMA 颗粒，精度为 1 微米； (d) 0.1mM Ca² ⁺ 条件下的 PMMA 颗粒； (e) 0.5mM Na ⁺ 与 5mg·L ⁻ ¹ 腐殖酸（ HA ）条件下的 PMMA 颗粒； (f) 0.5mM Na ⁺ 与 10mg·L ⁻ ¹ HA 条件下的 PMMA 颗粒； (g) 0.5mM Na ⁺ 与 10mg·L ⁻ ¹ 柠檬酸（ CA ）条件下的 PMMA 颗粒； (h) 0.5mM Na ⁺ 与 25mg·L ⁻ ¹ CA 条件下的 PMMA 颗粒； (i) 1mM Na ⁺ 与 5mg·L ⁻ ¹ HA 条件下的 PMMA 颗粒； (j) 1mM Na ⁺ 与 10mg·L ⁻ ¹ HA 条件下的 PMMA 颗粒； (k) 1mM Na ⁺ 与 10mg·L ⁻ ¹ CA 条件下的 PMMA 颗粒； (l) 1mM Na ⁺ 与 25mg·L ⁻ ¹ CA 条件下的 PMMA 颗粒； (m) 0.05mM Ca² ⁺ 与 5mg·L ⁻ ¹ HA 条件下的 PMMA 颗粒； (n) 0.05mM Ca² ⁺ 与 10mg·L ⁻ ¹ HA 条件下的 PMMA 颗粒； (o) 0.05mM Ca² ⁺ 与 10mg·L ⁻ ¹ CA 条件下的 PMMA 颗粒； (p) 0.05mM Ca² ⁺ 与 25mg·L ⁻ ¹ CA 条件下的 PMMA 颗粒； (q) 0.1mM Ca² ⁺ 与 5mg·L ⁻ ¹ HA 条件下的 PMMA 颗粒； (r) 0.1mM Ca² ⁺ 与 10mg·L ⁻ ¹ HA 条件下的 PMMA 颗粒； (s) 0.1mM Ca² ⁺ 与 10mg·L ⁻ ¹ CA 条件下的 PMMA 颗粒； (t) 0.1mM Ca² ⁺ 与 25mg·L ⁻ ¹ CA 条件下的 PMMA 颗粒

在饱和多孔介质的迁移实验中，通过不同浓度的电解质（如钠离子和钙离子）来观察其对 PMMA 的迁移影响。结果显示，随着电解质离子强度的增加， PMMA 的迁移能力显著下降，尤其是钙离子对 PMMA 迁移造成更强的抑制效果。具体而言，随着钙离子浓度增加， PMMA 颗粒的迁移能力显著下降，这可以归因于二价离子的电荷屏蔽效应更强，对颗粒间相斥作用的抵消更显著。这表明，电解质种类和浓度是影响 PMMA 迁移的重要因素。此外，研究还引入了腐殖酸（ HA ）和柠檬酸（ CA ）作为有机酸，以进一步了解其对 PMMA 迁移的影响。在 HA 与 PMMA 的复合研究中，研究发现， HA 浓度的增加并不总是促进 PMMA 得迁移，而柠檬酸则表现出明确的抑制效应。腐殖酸作为一种高分子量有机酸，其化学结构能够在 PMMA 颗粒表面形成一层吸附层，影响颗粒的表面电荷和疏水性，进而调控其在多孔介质中的迁移路径。然而，腐殖酸的影响不总是促进 PMMA 的迁移，这表现在不同浓度的腐殖酸会对 PMMA 迁移产生不同的影响，甚至在某些条件下表现出抑制作用 。

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• 图 2. 不同条件下聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ）在饱和多孔介质中的穿透曲线（ BTCs ）： (a) 不同 Na ⁺ 浓度下的 BTCs ； (b) 不同 Ca² ⁺ 浓度下的 BTCs ； (c) 当 Na ⁺ 浓度为 0.5 mM 时，不同有机酸类型和浓度下的 BTCs ； (d) 当 Na ⁺ 浓度为 1 mM 时，不同有机酸类型和浓度下的 BTCs ； (e) 当 Ca² ⁺ 浓度为 0.05 mM 时，不同有机酸类型和浓度下的 BTCs ； (f) 当 Ca² ⁺ 浓度为 0.1 mM 时，不同有机酸类型和浓度下的 BTCs 。

在非饱和多孔介质的迁移实验中，探讨了水分含量的变化如何影响 PMMA 的迁移。实验结果显示，多孔介质中水分含量减少时， PMMA 的质量回收率从 0.99 降至 0.71 。随着水分含量的减少， PMMA 迁移率的显著下降趋势。表明在非饱和状态下，毛细作用对纳米塑料的迁移产生了重要影响。毛细力在非饱和介质中扮演着重要角色，特别是在空气 - 水 - 固体界面处，这种界面会形成一层薄膜，限制了 PMMA 颗粒的运动。研究通过扩展的 Darjaguin-Landau-Verwey-Overbeek （ XDLVO ）模型，量化了 PMMA 与多孔介质（如石英砂）间的相互作用，为理解不同环境条件下的迁移机制提供了理论支持。本文进一步分析了 PMMA 颗粒在空气 - 水 - 固体界面的滞留现象，研究表明毛细力作用显著大于 DLVO 作用力，这为理解纳米颗粒在非饱和环境中的迁移机制提供了新视角 。