聚丙烯微塑料对土壤老化过程中镉分布的影响

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微塑料广泛存在于土壤环境中,在世界范围内受到越来越多的关注,我国不同地域土壤中也检出微塑料。同时,农业土壤重金属污染已成为全球普遍存在的环境问题。镉(Cd)作为土壤中毒性最大的微量元素之一,很容易被作物吸收并转移到地上部位,然后通过食物链对人类健康构成严重威胁。重金属进入土壤后,或在土壤溶液中以离子状态存在,或通过吸附、沉淀、络合等方式在土壤矿物、有机质、微生物及其相关络合物的表面被固定。这一老化作用直接影响重金属形态分布、迁移转化和生物有效性。由于微塑料和重金属在土壤环境中普遍共存,了解微塑料对土壤老化过程重金属分布影响对于评估它们对土壤生态环境的风险至关重要。本研究选择土壤中常见的聚丙烯微塑料以及重金属Cd作为研究对象,开展了为期180天的土壤老化试验。通过密度分离法将全土筛分为颗粒有机质(POM)、有机矿物复合体(OMC)和矿物质,分析不同组分中Cd的总量和形态分布变化;运用扫描电镜电子能谱(SEM-EDS)和红外光谱分析技术(FTIR)对微塑料和土壤组分进行表征,探讨微塑料对Cd在土壤组分中分布的影响及机制;此外,本研究还探讨了土壤pH、溶解性有机碳(DOC)、腐殖质(HS)和总有机质(OM)在土壤老化过程中Cd分布的作用。结果表明:(1)在全土中,外源重金属Cd的形态由可交换态向更稳定的其他形态转化;微塑料的存在提高了离子交换态Cd含量,降低了铁锰氧化态、强有机结合态和残渣态等相对更稳定的形态Cd含量。添加微塑料前后Cd的老化过程均符合Elovich方程模型,但微塑料加入后,Elovich方程的b绝对值下降,表明微塑料减缓了土壤中Cd形态分布转化的进程;同时,微塑料降低了Cd与土壤的结合强度,增加了Cd的总再分配系数,这会减缓外源Cd进入土壤后的稳定过程,增强Cd在土壤中的流动性。新制微塑料对Cd分布过程的影响大于老化微塑料,微塑料浓度越高,影响增大。(2)老化前后对照组土壤组分质量比例没有明显变化,各组分中总Cd浓度顺序为:POM>OMC>矿物,POM组分表现出金属富集性,与POM表面金属活性位点有关。添加微塑料后,土壤组分比例发生了显著变化,POM组分质量显著提高,矿物组分质量略微增加,OMC组分质量显著降低;OMC组分中Cd含量下降,POM和矿物组分中总Cd含量增加。微塑料的添加使得土壤中的Cd由OMC组分向POM和矿物组分转移。红外光谱和扫描电镜显示,添加微塑料后土壤中POM表面变得更加粗糙、多孔,POM上的活性吸附位点增加,有利于POM组分对Cd吸附量的增加。EDS结果也证实,添加微塑料后三种组分中C、O、Si和金属元素含量发生了改变。(3)微塑料影响各组分中重金属形态的分配。微塑料的添加提高了矿物和OMC组分中离子交换态Cd含量,降低了残渣态Cd含量;同时提高了POM组分中离子交换态和残渣态Cd含量。结合强度和总再分配系数分析结果表明,添加微塑料后,Cd在矿物和OMC组分中的结合强度降低,再分配系数增加,而在POM组分的结合强度提高,再分配系数下降。这表明微塑料增加了矿物和OMC组分中Cd的流动性,同时提高了POM中Cd的稳定性。Pearson相关系数也表明Cd的形态分布转化主要受POM和OMC组分影响。(4)所有试验组土壤老化过程中,pH、HS和OM含量增加,DOC含量降低。相比对照组,微塑料减缓了pH、HS和OM的变化,但增加了DOC的释放,Cd的稳定性与DOC含量呈负相关,与pH值、OM和HS含量呈正相关。推测微塑料通过影响土壤性质间接影响了Cd的稳定性。
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