微塑料污染下稻田土壤羟基自由基动态生成对镉有效性的调控机制

针对微塑料(MPs)与镉(Cd)复合污染对稻田生态系统的协同威胁，研究人员通过模拟水稻田氧化还原动态环境，揭示了聚乙烯微塑料通过促进羟基自由基(•OH)生成显著提升Cd生物有效性的新机制。研究发现MPs粒径、浓度及水文条件是调控•OH时空动态的关键因素，其中小粒径高浓度MPs使土壤有效Cd含量较对照提升4.5倍(p < 0.05)，为农业面源污染治理提供了理论依据。

　　

随着农业现代化进程加速，聚乙烯微塑料(MPs)从农膜和灌溉系统持续输入农田，与重金属镉(Cd)形成复合污染，这一现象在周期性干湿交替的稻田生态系统中尤为突出。数据显示，中国20%以上稻田遭受Cd污染，部分地区超标达26倍，而土壤中MPs浓度已突破4500颗粒/千克。这两种污染物通过改变土壤氧化还原条件产生协同效应，但MPs如何通过调控活性氧物种(ROS)影响Cd生物有效性的机制仍是未解之谜。

农业农村部农产品信息溯源重点实验室（Key Laboratory of Information Traceability for Agricultural Products）的研究团队在《Journal of Environmental Sciences》发表的研究，首次揭示了MPs通过光化学活化溶解有机碳(DOC)和Fe(II)驱动羟基自由基(•OH)生成，进而显著提升Cd有效性的分子机制。研究人员采用耦合HPLC-荧光法的•OH定量技术，结合模拟稻田干湿交替培养系统，追踪了不同粒径(50μm vs 500μm)和浓度(0.1-5%)PE-MPs处理下•OH与Cd的动态变化。

关键实验技术包括：1) 基于7-羟基香豆素(OH-COU)荧光标记的•OH原位检测；2) 模拟稻田周期性淹水-排水的水分管理；3) 铁形态连续提取法测定Fe(II)/Fe(III)转化；4) CaCl₂提取法评估有效态Cd含量。

【•OH production capacity of paddy overlying water and soil】

研究发现MPs在淹水期通过三重途径促进•OH生成：小粒径(50μm)MPs使上覆水•OH峰值提前至10天（光照条件下），其表面附着的DOC经光活化产生超氧自由基(O₂^•-)，进而通过Haber-Weiss反应转化为•OH；在土壤相中，高浓度(5%)MPs通过加速Fe(II)周转（提升37.2%），持续驱动Fenton反应，使•OH产量较对照增加2.8倍。

【Conclusions】

间歇性排水条件下，MPs创造的多尺度氧化还原微环境使土壤有效Cd含量激增4.5倍。MPs粒径与浓度存在显著交互效应：50μm MPs在1%浓度时•OH生成速率常数(k_OH)最大，而500μm MPs需达5%浓度才显现类似效果。

【Environmental implication】

该研究突破了传统认知中MPs作为被动载体的观点，证实其可通过改写土壤氧化还原"剧本"直接影响重金属循环。尽管实验采用的MPs浓度高于田间实际值，但揭示的•OH介导Cd活化机制为预测复合污染风险提供了新范式，特别警示了农膜使用密集区需关注光照-水分协同调控的Cd再活化风险。研究建立的•OH-Fe(II)-DOC三元耦合模型，为发展针对MPs-重金属复合污染的原位修复技术奠定了理论基础。