在寒冷地区，融雪渗透条件下纳米塑料在农业土壤中的传输机制

《Water Resources Research》：Transport Mechanisms of Nanoplastics in Agricultural Soils Under Snowmelt Infiltration Conditions in Cold Regions

纳米塑料迁移特性及调控机制研究：以东北冻融土壤雪融水渗滤为背景，选取褐土、白土、黄土三种典型土壤，构建四环素及四环素-生物炭联合处理体系，揭示雪融水条件下NPs迁移规律。研究表明，黄土NPs迁移峰值达25.62 mg/kg，显著高于褐土和黄土体系；四环素与生物炭通过增强土壤吸附位点、降低电化学排斥能（XDLVO理论计算显示能量势垒降低16.8%-36.91%），有效抑制NPs迁移。长期模拟预测显示，添加生物炭可使20年NPs迁移量降低19.88%-57.19%，且土壤孔隙结构优化（大孔隙占比下降44.06%）和pH值降低（0.11-0.36单位）进一步减缓迁移。研究为寒区农田土壤纳米塑料污染防控提供理论依据。

　　本研究聚焦于纳米塑料（NPs）在融雪水作用下的迁移特性及其调控机制。随着全球工业化和城市化进程的加快，塑料废弃物不断分解形成纳米塑料，这种微小颗粒具有高度的环境风险。尤其在东北地区，长期低温环境减缓了土壤微生物对塑料降解的效率，使得污染物在土壤中累积更为显著。同时，融雪水在土壤中渗透，可能携带纳米塑料深入土壤并污染地下水。因此，深入研究纳米塑料在融雪水条件下的迁移路径和调控机制，对于评估其潜在的环境风险并制定有效的土壤污染控制策略具有重要意义。

研究选取了三种典型的土壤类型作为多孔介质：棕壤（CCK）、黑土（ACK）和褐土（LCK）。并设计了两种处理方案：一种为含四环素的纳米塑料迁移（LTL、CTL、ATL），另一种为含四环素与生物炭的纳米塑料迁移（LTLB、CTLB、ATLB）。实验结果显示，在垂直剖面中，棕壤（CCK）的纳米塑料浓度峰值为25.62 mg kg?1，而褐土（LCK）和黑土（ACK）的纳米塑料浓度分别比棕壤高7.79%和5.32%。这一现象表明，四环素和生物炭的存在为纳米塑料提供了额外的吸附位点，从而增强了纳米塑料在土壤中的沉积与封存效果。同时，研究构建了一个创新的纳米塑料迁移模型，并预测了未来气候变化条件下纳米塑料的污染趋势。研究还发现，在极端降雪条件下，纳米塑料在土壤中会经历显著的解吸和再迁移过程。例如，在黑土中，经过20年后，纳米塑料在垂直剖面中的浓度达到2.12 mg kg?1，分别比褐土和棕壤低19.88%和6.19%。这一结果再次验证了生物炭与四环素的协同作用在抑制纳米塑料解吸特性方面具有显著效果。

纳米塑料由于其小尺寸、高比表面积和强分散性，具有显著的生物可利用性和毒性，相较于微塑料（MPs）更容易穿透细胞膜并被植物吸收。当这些植物被动物或人类食用时，纳米塑料也会进入生物体内，从而可能对生态系统产生更广泛的影响。纳米塑料在土壤中的迁移不仅受到物理因素如土壤孔隙结构和渗透速率的影响，还受到化学因素如土壤pH值、电导率、阳离子交换容量（CEC）等的影响。此外，土壤中的有机质和微生物活动也在纳米塑料的迁移过程中起到关键作用。例如，高有机质含量的土壤可以增强纳米塑料的吸附能力，抑制其迁移。同时，纳米塑料在土壤中还可能通过与土壤颗粒的相互作用形成异质聚集，从而减少其在土壤中的流动性。

为了深入理解纳米塑料的迁移机制，研究采用了扩展的德雷奇金-朗道-弗韦-奥贝克（XDLVO）理论，通过计算纳米塑料与土壤颗粒之间的相互作用能量，揭示其迁移过程中的能量障碍和吸附行为。研究发现，含有四环素和生物炭的土壤，其纳米塑料与土壤颗粒之间的能量障碍高度显著降低。例如，在黑土中，ATL和ATLB处理的能量障碍高度分别比ACK低16.80%和36.91%。这一结果表明，较低的能量障碍使纳米塑料更容易接近土壤颗粒，从而增强其在土壤中的沉积能力。同时，生物炭的丰富孔隙结构和高比表面积能够有效吸附四环素和纳米塑料，降低其迁移能力。

在实验设计方面，研究采用土壤柱实验和数值模拟相结合的方法，模拟了不同处理条件下的纳米塑料迁移行为。实验中，土壤柱被分为四部分，通过在土壤柱侧面设置多个取样孔，实时监测纳米塑料在不同时间点的迁移情况。此外，研究还通过模拟未来极端降雪条件下的土壤纳米塑料迁移趋势，预测了其在土壤中长期积累的潜在风险。例如，在极端降雪条件下，纳米塑料的迁移速率和分布情况在不同土壤中表现出显著差异，其中褐土的迁移能力最强，而黑土的迁移能力最弱。

从实验结果来看，纳米塑料在土壤中的迁移受到多种因素的调控。首先，土壤的物理结构对纳米塑料的迁移具有重要影响。例如，褐土的孔隙率较高，能够提供更广阔的通道和更大的空间，使纳米塑料更容易随水渗透。然而，黑土中的溶解性有机碳含量较高，形成了较大的有机包覆层，增强了纳米塑料与土壤颗粒之间的静电吸引力和范德华力，从而抑制了其迁移。其次，四环素的存在能够改变土壤的化学特性，进而影响纳米塑料的迁移能力。四环素能够与纳米塑料发生聚合反应，增强其对土壤颗粒的吸附能力。然而，这种吸附作用也伴随着一定的解吸风险，使得纳米塑料可能在极端降雪条件下再次释放。因此，研究提出，在含有四环素的土壤中，纳米塑料的迁移受到一定程度的抑制，但同时也存在一定的再迁移风险。

为了有效控制纳米塑料的迁移，研究还探讨了生物炭的调控作用。生物炭的添加能够促进土壤颗粒形成较大的团聚体，从而有效封装四环素和纳米塑料复合物，降低其在土壤中的溶解度和迁移能力。此外，生物炭的丰富孔隙结构能够提供更多的吸附位点，增强其对纳米塑料的固定能力。实验结果显示，含有四环素和生物炭的土壤（如LTLB、CTLB、ATLB）相比不含生物炭的土壤（如LTL、CTL、ATL）能够显著降低纳米塑料的迁移率。例如，在褐土中，LTLB处理的纳米塑料最大浓度比LCK处理降低了31.51%，比LTL处理降低了47.73%。这表明，生物炭的添加在控制纳米塑料迁移方面具有显著效果。

在土壤化学特性方面，研究发现不同土壤的pH值、电导率和阳离子交换容量对纳米塑料的迁移能力有重要影响。例如，土壤pH值的变化能够影响纳米塑料与土壤颗粒之间的静电排斥力，从而改变其迁移行为。同时，电导率的增加意味着土壤中离子浓度的提升，这可能增强纳米塑料与土壤颗粒之间的电荷相互作用，降低其迁移能力。阳离子交换容量的增加则意味着土壤颗粒表面能够提供更多吸附位点，从而增强其对纳米塑料的固定能力。

此外，研究还通过XDLVO理论分析了纳米塑料在不同土壤中的迁移机制。结果显示，纳米塑料在土壤中的迁移不仅受到其与土壤颗粒之间的范德华力和静电相互作用的影响，还受到酸碱相互作用的影响。例如，在含有四环素和生物炭的土壤中，纳米塑料与土壤颗粒之间的酸碱相互作用显著增强，从而降低了迁移阻力。这一发现进一步说明，生物炭与四环素的协同作用在调控纳米塑料迁移方面具有重要作用。

综上所述，本研究通过实验与理论分析相结合的方法，揭示了纳米塑料在融雪水条件下的迁移特性及其调控机制。研究结果表明，土壤类型、四环素和生物炭的添加均对纳米塑料的迁移能力产生重要影响。其中，黑土由于其高有机质含量和小颗粒结构，对纳米塑料的吸附能力较强，迁移能力较弱；而褐土由于其较高的孔隙率，纳米塑料的迁移能力较强。四环素的存在能够通过增强纳米塑料与土壤颗粒之间的吸附能力，抑制其迁移，但同时也存在一定的解吸风险。生物炭的添加则能够有效降低纳米塑料的迁移能力，提高其在土壤中的固定率。这些发现为未来在寒冷地区的农业土壤中控制纳米塑料污染提供了科学依据和治理策略。