微塑料与土壤中2,4,6-三溴苯酚的竞争吸附机制及其对地下水污染风险的影响研究

针对微塑料(MPs)与有机污染物在土壤中的交互作用机制不明确的问题，清华大学团队通过动力学和热力学实验结合密度泛函理论(DFT)计算，揭示了聚乙烯(PE)及其老化产物(APE)通过竞争吸附降低2,4,6-三溴苯酚(TBP)在土壤中的吸附量(降幅达29.4%-32.4%)并增加其解吸率(提升至35.7%-36.3%)的机制，为评估MPs存在下溴代污染物的环境行为提供了重要依据。

　　

随着塑料制品的大规模使用，微塑料(MPs)已成为全球性环境污染物，其在土壤中的积累量可达海洋的4-23倍。作为典型溴代阻燃剂，2,4,6-三溴苯酚(TBP)具有发育神经毒性和生殖毒性，但MPs与TBP在土壤中的交互作用机制尚不明确。清华大学团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表的研究，通过多尺度方法揭示了MPs对TBP环境行为的调控机制。

研究采用批式实验结合表征技术，通过伪二级动力学模型和Langmuir/Freundlich等温线分析吸附行为，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料特性，并采用密度泛函理论(DFT)计算分子间作用力。

3.1 MPs特性
紫外-过硫酸盐老化使聚乙烯(PE)表面形成裂纹和含氧官能团，比表面积增加34%，zeta电位从-13.23 mV降至-17.49 mV。X射线衍射(XRD)显示老化PE(APE)结晶度提高。

3.2 吸附动力学
TBP在含1% MPs的土壤中吸附符合伪二级动力学模型(R²>0.99)。PE和APE使TBP吸附量分别降低29.4%和32.4%，解吸率提升至36.3%和35.7%，Weber-Morris模型表明该过程受多步骤控制。

3.3 吸附热力学
Freundlich模型(R²=0.9959-0.9987)最能描述多层吸附行为。DFT计算显示TBP与蒙脱石的吸附能(-18.966至-20.975 eV)显著强于PE/APE(-8.347至-10.895 eV)，证实竞争吸附机制。

3.4 环境因子影响
pH从6升至9时，TBP阴离子形态占比从21.4%增至78.6%，吸附量下降；Ca²⁺浓度增加通过竞争吸附位点进一步抑制吸附；MPs添加量达30%时吸附量降低最显著。

3.6 作用机制
RDG分析表明TBP与MPs间主要为范德华力，而APE因含氧官能团产生少量氢键。MPs通过强土壤吸附能(-8.347至-10.895 eV)竞争吸附位点，其中APE因更高负电性竞争力较弱。

该研究首次量化了MPs对TBP土壤吸附的抑制效应，揭示环境参数调控规律。发现MPs通过竞争吸附促进TBP向地下水迁移，而老化过程因改变表面性质减弱该效应。研究为MPs-污染物复合污染风险评估提供了分子机制支撑，对制定土壤修复策略具有重要指导价值。