风化作用对微塑料影响的研究

张楠,徐一卢,陈蕾

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

如今，塑料因其耐用性和低成本而广泛应用于日常生活[1]。虽然塑料给我们的日常生活带来了极大的便利，但也产生了大量的塑料废弃物。据报道，环境中累积了49亿 t塑料废物[1]。散装塑料垃圾不仅会对生物体造成伤害，还会碎裂成更小的颗粒[2-4]。在这些颗粒中，微型塑料(MPs)(<5 mm)可能是环境中数量最多的塑料碎片[5-7]。

1 微塑料的危害

研究表明，微塑料可能通过摄入对水生生物的肠道产生直接影响[8-9]。此外，吸附在微塑料上的环境污染物可能会转移到生物体中[10-11]。被生物摄入后，塑料中的添加剂可能会释放到生物体中[12]。污染物和添加剂从微塑料中向生物体的转移受到许多因素的影响，例如聚合物和化学品的性质、肠道条件以及微塑料与生物体之间化学品的逸度梯度[13-15]。除此之外，微塑料在环境中还会吸附、浓缩各种有机污染物，从而对环境产生危害。微塑料本身所具有的毒性同样不容小觑，由于塑料是聚合物，不容易降解，因此其可长时间存在于环境中，受各种环境因素的影响，微塑料的添加剂会逐渐浸出，而微塑料添加剂本身具有的毒性会对环境、生物甚至人类的生命健康造成巨大的危害。

2 风化作用

2.1 改变表面性质

由于分子组成相同，微塑料的风化机制与宏观塑料的风化机制相似[16]。研究表明，风化过程显著改变了微塑料的表面性质。一方面，风化导致裂缝的产生[17]以及微塑料随后的破碎[18-19]。另一方面，在风化过程中，微塑料的力学性能和热性能可能会因聚合物主链断裂而恶化[20-21]。风化作用也会影响微塑料的结晶度，因为链断裂降低了非晶相中的纠缠密度，从而进一步允许聚合物分子的重排和二次结晶[22]。此外，微塑料的表面颜色可能会发生变化，例如从白色变为黄色或黑色[18]，通常，颜色会随着风化时间的延长而加深。

2.2 官能团的变化

另一方面，风化增加了微塑料上氧官能团的含量[21,23]。研究表明，暴露于海水/阳光条件下3年后，风化聚丙烯、低密度聚乙烯和高密度聚乙烯上的氧官能团含量增加[23]。由于气候过程中的聚合物链断裂和氧化，分子量将降低[21,24]。Mailhot和Gardette观察到，在长波长的光照射下，聚苯乙烯的裂解和氧化产生了各种类型的氧化产物，包括苯乙酮、苯甲醛、苯甲酸、苯酐和甲酸等[24]。总之，风化过程显著改变了微塑料的物理化学性质，这可能与它们最初排放到环境中的形式完全不同。

2.3 添加剂的释放

添加剂的释放主要受风化条件(如紫外线、氧气和水参数，如pH值和温度)和塑料和添加剂性能的控制[25]。太阳辐射和氧气是影响添加剂释放的最重要因素，因为大多数微塑料暴露在阳光和环境中的氧气中[26]。酸性pH有利于无机添加剂的释放，高温明显促进有机和无机添加剂的释放[27]。Paluselli等报告称，光照和细菌条件显著增加了PVC电缆中邻苯二甲酸酯(PAE)的释放，但不能增强聚乙烯袋中PAE的释放，这表明塑料类型中添加剂的释放速率不同[25]。添加剂的性质会影响其与塑料的结合能力，例如疏水性添加剂与疏水性塑料之间的高相互作用。与添加剂类似，低分子量和沸点的低聚物也可以从微塑料释放到环境中，因为风化可能导致聚合物链断裂[28]。这些化学物质很容易转化为气态，并通过降雨进一步进入陆地和水环境，从而在整个生态系统中转移[29]。

3 风化作用产生的微塑料风险

近年来，由于微塑料的广泛分布，其污染问题日益引起全球关注。此外，大多数微塑料在环境中经历了广泛的风化，并且微塑料可能表现出不同于原始物质的物理化学性质。在环境中，微塑料受各种风化过程的影响，包括紫外线(UV)辐射、生物降解、物理磨损和化学氧化[30]。这些过程不仅可以改变微塑料的表面性质[17-18]，而且还可以促进添加剂和多磺酸衍生中间体的释放[25]。

3.1 风化作用影响微塑料对污染物的吸附

此外，风化作用影响微塑料对环境污染物的吸附。因为生成的含氧基团增加了微塑料表面的极性、亲水性和电荷，并进一步影响微塑料与环境污染物之间的相互作用[31-33]。此外，较小碎片的比表面积增加了其对污染物的吸附[33-34]。特别是，由于微塑料性质的改变以及与污染物的直接相互作用、环境成分(如天然有机物、盐度和带电矿物)可能会影响微塑料的吸附行为[35]。

3.2 对生物摄取微塑料的影响

风化过程可能影响生物体对微塑料的摄取，因为其物理化学性质发生了变化，包括破碎、黄变效应、含氧基团的形成和生物膜。粒径是影响微塑料生物摄取和排出的关键因素，一般来说，较小粒径的微塑料更容易被生物摄取和排出[35]。此外，颗粒大小的变化会影响微塑料在生物体组织中的分布[35]。在水生环境中，风化过程有利于生物膜的形成，这可能会影响生物体对微塑料的摄取[35]。

3.3 渗滤液潜在风险

在微塑料风化过程中，化学品(包括添加剂和塑料衍生中间产物)在滤液中的释放会引起间接风险[36-37]。垃圾渗滤液对生物体的毒性受来自周围环境的吸附污染物的类型和浓度的影响[36-37]。Gandara等经过实验观察得出结论认为，环境污染物是造成母体毒性的主要原因，而添加剂则会引起毒性反应[36]。虽然实验证实了微塑料衍生化学品的毒性，但由于检测方法和化学类型之间的复杂性，导致渗滤液毒性的化学品结构并不清楚。

3.4 风化后微塑料的毒性

风化的微塑料可能由于不同的大小和颜色而表现出不同的毒性效应[38-41]。由于生物体的口腔大小有限[40]，因此更小尺寸的微塑料可能更容易被生物体(例如牡蛎幼虫和线虫)摄取。此外，微塑料的颜色可能会影响摄食，因为一些生物是视觉捕食者，可能以与其猎物相似的微塑料为食[38-39]。从聚苯乙烯(PS)等微塑料的风化过程中释放的添加剂(如壬基酚(NP)和溴化阻燃剂(BFRs)和微塑料衍生的中间体(如低聚物和含氧化合物)，聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)将会潜在地引起由于急性毒性导致的蚌、鱼和虫的较高死亡率的不利影响[35]。

4 研究展望

风化作用会导致微塑料的表面性质、吸附行为等发生变化。由于风化作用使得微塑料发生的大小、颜色和表面电荷变化，会影响水生生物对微塑料的摄入[36]。此外，含有添加剂以及微塑料衍生化合物的渗滤液可能对生物体产生毒性作用。然而，目前的研究还不能完全评价风化作用对微塑料环境行为的影响，特别是长期的风化作用，因此对未来的研究建议如下：

(1)应该通过加速风化反应研究微塑料的短期和长期风化特性，进而分析风化过程中微塑料衍生中间体和添加剂的结构等详细信息。

(2)需要增加对有关风化微塑料对添加剂和环境污染物的吸附以及风化微塑料释放的化学物质进行深入研究，进而获得其组成、成分等更多相关信息。

(3)需要开展更多的工作来调查风化微塑料和相关化学品对生物体的影响。

(4)研究结果表明，在环境中，风化有利于微塑料表面生物膜的形成，从而影响微塑料对污染物的吸附和微塑料对水中生物的风险。因此应进一步研究对风化微塑料的吸附行为和潜在毒性的影响。