综述：微塑料的电化学修复：在水处理领域的进展与前景

《Journal of Contaminant Hydrology》：Electrochemical remediation of microplastics: Progress and prospects in water treatment

微塑料污染严重威胁环境和人类健康，预计2060年累积量达120亿吨。电化学处理技术如电氧化效率达90%，但存在能源消耗、电极选择及矿化不彻底等问题，需技术创新和公众教育。

　　塑料污染已成为全球性的重要问题，其中微塑料（Microplastics, MPs）——指尺寸小于5毫米的塑料颗粒——对环境和人类健康构成了严重威胁。随着全球塑料产量的持续增长，MPs的污染问题愈发严峻。2019年全球塑料产量达到了约2.59亿吨，预计到2025年将增长至5亿吨。根据预测，到2060年，MPs可能会占全球塑料废弃物积累总量的很大一部分，可能达到12亿吨。这种微塑料的广泛存在引发了人们对它们可能对生态系统的破坏以及对人类健康的潜在影响的担忧。MPs不仅在海洋和淡水环境中被频繁检测到，还出现在人体组织和体液中，如新生儿的胎盘血和排泄物，显示出其对生物系统具有深远的渗透性。

MPs的来源主要包括两种：一类是人为制造的初级微塑料，如化妆品中的微珠、工业研磨材料和树脂颗粒（nurdles）；另一类是次级微塑料，由较大塑料垃圾在自然环境中逐渐降解形成，如塑料袋、渔网、手套和包装材料等。由于缺乏有效的降解途径，这些微塑料会长期存在于环境中，对人类和海洋生物的健康构成威胁。研究表明，MPs已经出现在人体的粪便、胎盘和肺部组织中，进一步表明其可能对人类健康产生深远影响。此外，MPs的表面容易吸附一些具有高毒性的污染物，如多环芳烃（PAHs）、有机污染物（如邻苯二二酚）和持久性有机污染物（POPs），如多氯联苯（PCBs）和二恶英（p,p’-DDE）。这些污染物的富集作用使MPs的生态和健康风险更加复杂。

MPs在环境中的普遍存在，使其成为全球环境治理的一个重要议题。它们不仅影响水体、土壤和空气，还通过食物链进入人体，进而对健康产生潜在影响。例如，研究发现，带有PCB-153标记的纳米塑料在多个中心的新生儿胎盘样本中检测到56%，并且与较低的Apgar评分及新生儿甲状腺功能异常相关。这表明MPs可能对胎儿发育产生负面影响。同时，长期暴露于含有溴化阻燃剂的空气纺织纤维中的工人，显示出氧化应激标志物水平的两倍增加和肺功能的下降，进一步强调了MPs对人体健康的潜在危害。

在细胞层面，MPs可以引发线粒体自噬（mitophagy）并激活内质网应激通路，加剧氧化应激反应。这种反应可能导致细胞功能受损，进而影响生物体的整体健康。此外，MPs可能破坏溶酶体膜，释放酶类，促进自噬过程；同时，其在巨噬细胞中的积累可能影响免疫功能。最新的研究还指出，MPs可能通过与细胞核相互作用，影响基因表达调控，从而对生物体的生理功能产生深远影响。

尽管已有多种方法被研究用于降解MPs，如生物降解、物理分离和化学氧化等，但这些方法在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，生物降解虽然在某些情况下有效，但其降解速度较慢，且受环境条件限制；物理分离技术如过滤和膜分离虽然能有效去除MPs，但难以处理复杂多样的MPs混合物。因此，寻找更加高效、经济且可持续的MPs处理技术显得尤为重要。电化学处理技术，包括电凝聚、电氧化和电芬顿反应，因其在去除、降解甚至回收MPs方面的潜力，成为近年来研究的热点。

电凝聚（Electrocoagulation, EC）是一种利用电流引发金属电极溶解，生成絮凝剂以去除污染物的方法。其操作条件对MPs的去除效率具有重要影响，例如电流密度、pH值和电极材料的选择。电氧化（Electro-oxidation, EO）则通过阳极氧化作用直接分解MPs，显示出高达90%的去除效率，甚至在优化条件下达到99.24%的去除率。电芬顿（Electro-Fenton）反应结合了电化学氧化和芬顿反应，通过生成高活性的羟基自由基（·OH）来降解MPs，其处理效率和可持续性受到广泛关注。

在实际应用中，电化学处理技术的优势在于其模块化和紧凑性，使得其可以与现有的污水处理厂（WWTPs）集成，作为三级处理阶段，以提高对持久性污染物的去除能力。这种集成方式不仅能够提升污水处理的整体效率，还能减少对环境的二次污染。然而，当前的电化学处理技术在完全矿化MPs方面仍面临挑战，主要体现在能耗较高、电极材料的选择受限以及反应器设计的复杂性上。因此，为了提高MPs处理的效率和可持续性，需要进一步优化这些技术的参数，并探索新的电极材料和反应器配置。

此外，MPs的处理技术还需考虑其经济性和可扩展性。通过技术经济分析，可以评估不同电化学处理方法的成本效益，以及它们在不同规模污水处理厂中的适用性。例如，电凝聚处理纺织染料废水时，每千克染料去除所需的能耗约为19.5 kWh，这表明其在处理高浓度废水时可能具有较高的能源需求。因此，如何在保证处理效果的同时降低能耗，是当前研究的一个重要方向。

为了应对MPs污染带来的挑战，科研人员正在积极探索新的处理技术和方法。这不仅包括对现有电化学处理技术的优化，还涉及对新型材料和反应机制的研究。例如，通过开发具有更高催化活性的电极材料，如纳米材料或复合材料，可以提高电芬顿反应的效率，从而减少处理时间和能耗。同时，结合人工智能和大数据分析，可以优化处理参数，提高系统的智能化水平，使MPs处理更加高效和经济。

在政策层面，政府和相关机构也需要加强对MPs污染的监管和管理。这包括制定更严格的排放标准、推广可降解材料的使用以及加强公众教育，提高人们对MPs污染问题的认识。此外，还需要推动国际合作，共享MPs污染治理的经验和技术，以应对这一全球性问题。

综上所述，MPs污染已成为全球环境和健康领域的重要议题。其广泛存在和潜在危害要求我们采取更加积极有效的措施进行治理。电化学处理技术作为一种新兴的处理手段，展现出良好的应用前景。然而，要实现其在实际中的广泛应用，还需要进一步的技术创新和政策支持。通过不断研究和改进，我们有望找到更加高效、经济和可持续的MPs处理方法，从而有效降低其对环境和人类健康的威胁。