近日，我院洪华龙助理教授、严重玲教授团队在环境领域著名学术期刊 Journal of Hazardous Materials 上发表了题为“Aging behavior and leaching characteristics of microfibers in landfill leachate: Important role of surface mesh structure”的论文。该研究探究了MS-MFs和普通聚丙烯膜（PP-films）微塑料的老化行为和机理，以及它们对垃圾渗滤液中溶解有机质（DOM）的浸出作用。结果表明，由于MS-MFs具有丰富的孔隙和空间性，在垃圾渗滤液老化过程中，MS-MFs比PP-films发生了更显著的物理化学变化。总体而言，MS-MFs将带来较高的环境风险，成为垃圾渗滤液中DOM污染物新的长期来源。该研究为新型微纤维对垃圾渗滤液碳动态的影响提供了新的见解。
图文摘要
研究背景
微纤维经过特殊的处理工艺后形成的网状结构薄膜（MS-MFs），其渗透性和灵活性有了极大的提升。然而，人们对MS-MFs的环境行为和潜在风险知之甚少。垃圾填埋场是塑料的重要聚集地，垃圾渗滤液中含有大量的DOM、重金属离子和无机盐，能够与微塑料产生复杂的关联反应。因此，厘清老化过程中MS-MFs表面化学过程有助于对垃圾填埋场运行及清理过程中环境风险的科学防控。本研究主要研究了DOM参与的MS-MFs的老化过程，以及MS-MFs在长期老化过程中释放到垃圾渗滤液中的DOM的具体特性。分析比较垃圾渗滤液中DOM对空间网状结构的MS-MFs和表面光滑的普通微塑料膜的老化效应；评价和量化老化后DOM释放到渗滤液中的特征和机制；探讨DOM介导的MS-MFs在垃圾渗滤液中的老化特征与环境行为的关系。
研究结果
SEM图像显示，原始MS-MFs呈现出由光滑柱状纤维组成的网状空间结构。MS-MFs在垃圾渗滤液中暴露于黑暗条件下60天后，柱状表面出现变形，伴随着有机物、无机物和NPs的粘附。经过光老化处理，在纤维表面观察到明显的裂缝，并且形成螺旋结构。这种特征的螺旋结构有利于大量污染物的附着，导致产生大量的NPs（如图1所示）。相比之下，老化后PP-films的表面未出现裂纹仅发生轻微的纹理变化，并伴有许多污染物的附着。此外，受垃圾渗滤液的影响，MS-MFs表面有机物和无机物的总含量显著高于PP-films。其原因是新型的网状结构的MS-MFs空间表面吸附了大量垃圾渗滤液中的有机和无机物，并积聚在其丰富的孔隙中。
图1 通过SEM（a）、显微镜照片（b）和AFM（c）对MS-MFs和PP-films进行形态学表征
采用ATR-FTIR结合2D-COS分析来揭示老化过程中MS-MFs和PP-films的表面化学基团变化特征（图2）。根据Noda规则结合同步和异步相关谱的分析表明，MS-MFs的光老化顺序为：974 cm-1>1100 cm-1>1654 cm-1>1167 cm-1>1554 cm-1。PP-films的排列顺序为：976 cm-1>1097 cm-1>1658 cm-1>1175 cm-1，说明C-H化学键先发生了变化，随后通过DOM或光老化氧化形成了C=O和C-O官能团，这些含氧官能团会导致垃圾渗滤液中大量亲水DOM的吸附。通过EPR实验探究了老化机理，发现黑暗条件下垃圾渗滤液中MS-MFs的老化主要是由于DOM通过电子转移产生ROS促进其矿化和降解。UV照射下的老化过程中，除了DOM由于光电子进一步激发而产生的ROS，主要受光降解的影响。
图2 MS-MFs和PP-films的ATR-FTIR光谱（a）、CI（b）、结晶度（c）和同步或异步2D-COS图（d）
EEM的PARAFAC分析表明，老化后浸出的垃圾渗滤液含有三种荧光物质（C1、C2和C3），包括两种类腐殖质和一种类蛋白质。DOM在老化过程中发生了动态演化（图3）。在原始垃圾渗滤液中，只存在类蛋白质（C2）和类腐殖质（C3），其中C2占大多数为94%。然而，光老化的发生，DOM中光诱导产生的类腐殖质（C1）出现并显著增加，成为主导成分。这种现象是由于UV对微纤维的开裂和老化作用，导致大量微塑料单体、低聚物和可降解有机物释放出来。同时，渗滤液中C2的相对丰度显著下降，与微生物活性相关的类腐殖质（C3）逐渐增加。微塑料中浸出的DOM提高了微生物的活性，从而促进原始渗滤液DOM中类蛋白质成分的矿化。同时，UV激发下电子转移可能进一步促进了DOM中类蛋白质成分的矿化。与PP-films相比，老化后的MS-MFs对渗滤液中DOM的组成复杂性和生态毒性的影响更为显著。
图3 （a）DOM-MS-MFs和DOM-PP-films的3D-EEM；（b）EEM-PARAFAC显示三种不同的荧光成分和相应的激发/发射光谱；（c）DOM的三组分随老化时间的变化
结果表明，在垃圾渗滤液参与的老化过程中，由于MS-MFs具有丰富的孔隙和空间性，比PP-films发生了更显著的物理化学变化。其中，垃圾渗滤液中DOM产生的活性氧是影响MS-MFs光老化的一个重要因素，而UV照射下的光电子会进一步促进该过程的发生。与PP-films相比，MS-MFs向渗滤液释放了更多的DOM和纳米塑料碎片（NPs），从而改变了渗滤液DOM的组成和分子量。老化后的MS-MFs使DOM产生了新的成分，并且增加最多的是光化学产生的腐殖质样。总体而言，MS-MFs将带来较高的环境风险，成为垃圾渗滤液中DOM污染物新的长期来源。
研究团队及资助
我院博士生柯越和博士生林陆健为论文共同第一作者，厦门大学洪华龙助理教授和严重玲教授为共同通讯作者。合作者还包括博士生张广龙。该研究获得国家自然科学基金面上项目（31530008, 31901177），中央高校基本科研基金（20720230057）的联合资助。
文、图 | 柯越
责任编辑 | 洪华龙
排版 | 吴晓倩
