由从油藏中分离出的一种细菌对未经处理的聚丙烯微塑料和农业用聚丙烯薄膜的生物降解作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Biodegradation of unpretreated polypropylene microplastic and agricultural polypropylene film by a bacterium isolated from an oil reservoir

微塑料污染治理中，本研究利用水处理废铝渣通过热处理与脱乙酰壳聚糖共改性制备高效复合吸附剂HC-ALS，显著提升对聚乙烯微塑料的吸附性能（51.61%去除率，2.67 mg/g吸附容量），机理涉及化学键合与静电作用，热再生后仍保持40%以上吸附效率，为低成本资源化治理提供新方案。

　　微塑料污染已成为全球范围内亟需解决的环境问题之一。随着塑料制品的广泛使用，每年全球产生的塑料废弃物高达3.6亿吨，且这一数字正以每年约3%的速度增长。大量未被有效回收的塑料废弃物进入自然环境后，经过光降解、机械破碎等过程，逐渐转化为微塑料颗粒。这些微塑料不仅可能对生态环境造成直接危害，还因其较大的比表面积和疏水特性，能够吸附重金属、多环芳烃、抗生素等污染物。这些微塑料颗粒通过食物链积累，最终可能影响人类健康。因此，开发有效的去除方法对于控制微塑料污染具有重要意义。

当前，去除微塑料的技术主要包括吸附、混凝沉淀、微生物降解和光催化等。吸附法因其操作简便、成本可控和设计灵活，近年来被广泛应用于微塑料去除。然而，不同吸附材料的性能和成本差异较大。例如，活性炭在臭氧预处理后的废水处理厂出水中可去除43.6%至52.6%的微塑料，而商业椰壳活性炭对聚苯乙烯微塑料的吸附效率仅为26%。这些结果表明，未经改性的基准吸附材料在微塑料去除方面表现不佳，且往往需要较高的处理成本。因此，研究人员开始探索新型吸附材料，以提高其性能和可行性。例如，磁性生物炭可去除原始和老化聚酰胺微塑料，去除效率可达97%；而Mg/Zn改性的磁性生物炭则对聚酯、聚乙烯和聚苯乙烯微塑料表现出良好的吸附性能。然而，这些材料的制备过程通常较为复杂，限制了其大规模应用。

鉴于上述挑战，开发低成本、高效率且易于制备的吸附材料成为研究重点。铝盐污泥（Alum Sludge, ALS）是饮用水处理厂在净化过程中不可避免的副产品，因其富含水合铝氧化物，具有较强的亲和力，被广泛用于吸附阴离子污染物。ALS具有较大的比表面积和发达的非晶孔结构，其表面含有丰富的铝、硅等金属氧化物活性吸附位点。已有研究表明，ALS在去除水中的重金属如砷和铜、磷酸盐以及磺胺类抗生素方面具有良好的效果。然而，原始ALS的复杂成分使得有机物和其他杂质可能占据吸附位点，限制了其直接应用。虽然热处理常用于去除杂质并增加比表面积和活性位点，但其在去除与传统吸附材料相互作用较弱的污染物（如微塑料）方面的效果仍然有限。因此，需要对热处理后的ALS进行进一步改性，以优化其表面性质并增强与微塑料颗粒的相互作用。

本研究提出利用热处理和壳聚糖（Chitosan, CS）改性技术对原始ALS进行处理，以获得一种新型吸附材料——热处理壳聚糖改性铝盐污泥（Heat-Treated Chitosan-Modified Alum Sludge, HC-ALS）。这一方法旨在通过去除ALS中的有机杂质，暴露出更多的活性位点，同时利用壳聚糖的氨基和羟基功能基团增强对微塑料的吸附能力。本研究将系统探讨热处理和壳聚糖改性对ALS成分和结构的影响，并确定HC-ALS的最佳制备条件。为了揭示HC-ALS的材料组成、微结构、表面位点和热稳定性变化，研究将采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重-差热分析（TG-DTG）等表征技术。同时，通过吸附动力学和等温分析，研究将评估HC-ALS对微塑料的吸附行为。结合X射线光电子能谱（XPS）等其他表征方法，研究将全面分析HC-ALS对微塑料的吸附性能及其作用机制。这些研究结果有望为铝盐污泥固体废弃物的资源化利用和微塑料污染的控制提供一条低成本、高效且可行的技术路径。

在材料和试剂方面，本研究使用的ALS来自中国西安的乐游园水处理厂。原始ALS样品首先进行空气干燥，然后机械粉碎，接着筛分至200目颗粒，最后在室温及常压条件下储存，直至使用。壳聚糖（C6H11NO4，分析纯）和冰乙酸（CH3COOH，分析纯）由上海化学试剂公司提供。聚乙烯微塑料（PE-MPs）则由相关供应商提供。通过这些材料的组合，研究团队成功制备了HC-ALS复合吸附材料，并对其性能进行了深入研究。

通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，研究团队评估了热处理和壳聚糖改性对ALS中功能基团的影响。如图1所示，ALS、H-ALS、HC-ALS和CS的光谱特征显示出明显的差异。在ALS的光谱中，3447 cm?1处的吸收峰代表了羟基（O-H）的伸缩振动。1358 cm?1和1604 cm?1处的峰则表明存在含氧功能基团：1358 cm?1处的峰可能对应于对称伸缩振动的C-O或COO?，而1604 cm?1处的峰则代表了其他含氧基团的特征。经过热处理和壳聚糖改性后，HC-ALS的光谱显示出氨基和羟基功能基团的引入，这进一步增强了其对微塑料的吸附能力。

此外，研究团队还通过Zeta电位分析评估了HC-ALS的表面电荷密度变化。结果表明，经过壳聚糖改性后，HC-ALS的表面正电荷密度显著增加，这有助于通过静电吸引和疏水相互作用捕获微塑料颗粒。同时，通过热重-差热分析（TG-DTG）和BET比表面积分析，研究团队发现HC-ALS的比表面积从104.27 m2/g增加到256.81 m2/g，而孔体积也从0.130 cm3/g提升至0.393 cm3/g。这些数据表明，热处理和壳聚糖改性不仅提高了HC-ALS的物理结构特性，还增强了其对微塑料的吸附能力。

在吸附动力学和等温分析方面，研究团队发现HC-ALS的吸附过程符合伪二级动力学模型（R2 > 0.99）和朗格缪尔模型（R2 > 0.99），这表明其主要作用机制为化学吸附。通过XPS分析，研究团队进一步确认了HC-ALS与微塑料之间的化学吸附行为。此外，研究团队还评估了HC-ALS在热再生条件下的稳定性。在210°C的热再生处理后，HC-ALS在5个循环中仍保持超过40%的去除效率，表明其具有良好的再生性能和重复使用潜力。

综上所述，本研究成功开发了一种新型吸附材料——热处理壳聚糖改性铝盐污泥（HC-ALS），其在去除微塑料方面表现出优异的性能。通过热处理和壳聚糖改性，不仅去除了ALS中的有机杂质，暴露出更多的活性吸附位点，还通过引入氨基和羟基功能基团增强了对微塑料的吸附能力。研究结果表明，HC-ALS具有较大的比表面积、孔体积和良好的热稳定性，其吸附效率可达51.61%，吸附容量为2.67 mg/g。此外，HC-ALS在热再生处理后仍保持较高的去除效率，显示出良好的再生性能。这一研究不仅为铝盐污泥固体废弃物的资源化利用提供了新的思路，也为微塑料污染的控制提供了有效的解决方案。