《Journal of Hazardous Materials》：Enhanced retention of microplastics in biopolymer-modified porous media: insights from pore-scale visualization
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微塑料（MPs）在多孔介质中的迁移与滞留机制及其调控策略是当前环境科学的研究重点。本研究采用新型生物水凝胶（BDH）对石英砂多孔介质进行改性，结合孔隙尺度可视化平台和SEM/NMR分析，系统探究BDH对聚甲基丙烯酸甲酯微塑料（PMPs）迁移行为及调控机理的影响。结果表明BDH通过填充孔隙、增强介质粘结性及特异性吸附作用，显著降低PMPs迁移通量达1-3个数量级，且不同浓度BDH对孔隙结构的调控效果存在阈值效应。研究为开发环保型微塑料阻控技术提供了理论依据。
王子|刘金|张刚|吴萌|冯宇涵|杨月|车文月|荆淼
中国南京河海大学地球科学与工程学院，210098
引言
由于微塑料（MPs，粒径小于5毫米）来源广泛、产量高且难以降解[1][2]，它们已成为全球性的环境问题。微塑料的微小尺寸和高流动性使其能够通过多孔介质传输并在其中积累，从而导致土壤和地下水的污染[3]。不同地区、土地利用方式和污染源对微塑料的环境浓度差异很大，地表水中的浓度范围为381–1,356微克/升[4]，而土壤中的浓度范围为20.3–67,500毫克/千克[5][6][7]。微塑料会干扰水生生物的生理功能[8]，抑制植物生长[9]，并通过空气或食物链进入人体，对健康构成潜在风险[10][11]。由于多孔介质是微塑料的传输途径和储存库，因此了解微塑料的传输和滞留机制对于控制其扩散及减轻生态和健康风险至关重要。因此，迫切需要研究微塑料在多孔介质中的传输行为和调控机制。
大多数研究采用柱实验和突破曲线（BTCs）来评估微塑料的传输情况，考察了颗粒大小、形状、浓度、流速和介质饱和度等因素的影响[12][13][14]。然而，这些方法无法深入揭示孔隙尺度上的传输动态和滞留机制。为了解决这一问题，最近的研究采用了实时孔隙尺度可视化平台，能够直接且高分辨率地观察颗粒与介质之间的相互作用[15]。尽管取得了这些进展，但有效控制微塑料在多孔介质中迁移和滞留的策略仍然较少。
一种有前景的调控微塑料传输的方法是修改多孔介质。人们通常通过物理、化学或生物方法对土壤进行改良，以改善其孔结构和表面性质，从而提高稳定性并降低渗透性[16]。其中，石灰和水泥等化学改良剂可以有效改变孔结构，但它们对环境不友好，可能会干扰生态系统循环。相比之下，天然多糖生物聚合物由于其丰富的资源、低成本和环保性，成为有前景的替代品[17][18]。
这些生物聚合物可以在多孔介质中形成高粘度的空间网络，通过填充颗粒间的孔隙来降低渗透性，增强凝聚性，并增加流动路径的曲折度。例如，刘等人发现，在沙质土壤中添加10%–30%的亲水性多糖可使渗透性降低1–2个数量级[19]；苏贾塔等人发现，在粗粒土壤中加入0.25%的黄原胶可使渗透性降低近3个数量级[20]。除了改变孔结构外，生物聚合物还可以直接与微塑料相互作用，影响其聚集和沉积。它们的空间网络具有较大的比表面积和丰富的官能团（如羟基、乙酰基和氨基），通过静电和氢键作用促进微塑料的聚集和附着[21][22]。研究表明，基于燕麦蛋白的海绵通过疏水作用可去除高达81.2%的微塑料[23]；细菌纤维素生物聚合物通过将其捕获在三维纳米纤维网络中来滞留微塑料[24]；带正电荷的蛋白质（如溶菌酶）可通过静电吸引增强微塑料在沙表面的附着[25]。然而，系统研究生物聚合物对微塑料在多孔介质中传输和滞留影响的文献仍然有限。
在本研究中，使用了一种生物衍生的水凝胶（BDH）来改良多孔介质并抑制微塑料的传输。通过孔隙尺度传输可视化平台研究了聚甲基丙烯酸甲酯微塑料（PMPs）的传输和滞留情况，系统评估了BDH含量（C_B）、初始PMP浓度（C_P）、流速（r）和介质饱和度的影响。扫描电子显微镜（SEM）和核磁共振（NMR）分析揭示了BDH调控PMPs传输和滞留的微观机制。这些发现有助于深入理解孔隙尺度上的微塑料传输过程，并提供了一种新型且环保的微塑料污染控制策略。
多孔介质
多孔介质
本研究使用粒径为0.75–0.85毫米的石英砂作为多孔介质。首先用蒸馏水预洗砂子以去除表面杂质，然后将其浸泡在0.1摩尔的盐酸中24小时，再浸泡在0.1摩尔的氢氧化钠中24小时，以去除金属氧化物、有机物和其他杂质[26]。最后，将处理过的石英砂用蒸馏水彻底冲洗，于40°C下干燥，并存放在密封容器中。
BDH对饱和和非饱和介质中PMP滞留模式的可视化
在多孔介质中迁移过程中，微塑料悬浮液中的PMPs通过布朗扩散、拦截和沉降与介质相互作用[36]。图2示意性地展示了PMPs在饱和多孔介质中的滞留行为。PMPs的迁移和滞留受多种力的影响，包括静电排斥力、范德华力、流体动力力和重力[36]。一些PMPs因表面作用而滞留在多孔介质中。
微观分析
为了评估BDH对多孔介质微观结构的影响，在传输测试后进行了SEM分析。天然砂具有相对疏松的结构和较大的颗粒间孔隙。BDH通过桥接和包裹作用填充了这些孔隙，形成了更致密且更 cohesive 的结构。图9显示了不同BDH含量处理样品的SEM图像。在0.5% BDH处理的样品中，BDH水凝胶分布不均匀（图9a），形成了丝状或薄膜状结构。
结论
本研究评估了植物衍生生物聚合物（BDH）改良多孔介质以控制聚甲基丙烯酸甲酯微塑料（PMPs）传输和滞留的潜力。建立了孔隙尺度可视化平台，研究了在不同流速、悬浮液浓度和饱和度条件下的PMP传输和滞留情况。NMR和SEM分析揭示了孔隙结构的演变和微观滞留机制。主要发现如下：
环境影响
聚甲基丙烯酸甲酯微塑料（PMPs）在土壤和地下水中具有流动性强和毒性高的特点，对生态系统和人类健康构成持续威胁。本研究使用植物衍生生物聚合物（BDH）改良多孔介质，有效抑制了PMPs的迁移。与传统的“黑箱”柱实验不同，本研究采用了孔隙尺度可视化平台结合核磁共振技术，揭示了改良介质中PMPs的传输和滞留机制。
CRediT作者贡献声明
车文月：项目管理。
荆淼：验证。
张刚：项目管理、资金获取。
吴萌：监督、方法学、数据分析。
冯宇涵：可视化、方法学、实验研究。
杨月：监督。
王子：撰写初稿、方法学、资金获取。
刘金：项目管理、资金获取、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42307189）、江苏省自然资源科学技术项目（项目编号JSZRKJ202507）和江苏省研究生研究与实践创新计划（项目编号KYCX24_0887）的支持。
