黏土矿物对噻虫啉在三种醋酸纤维素微塑料上吸附行为的影响机制：有效吸附位点解析

本研究针对土壤中微塑料与有机污染物的交互作用机制，通过吸附动力学和热力学实验，结合二维相关光谱和理论计算，揭示了蒙脱石(MM)和高岭石(Kao)对噻虫啉在三种醋酸纤维素(CA)微塑料上吸附行为的差异化调控机制，为理解土壤复合污染过程提供理论依据。

　　

塑料污染已成为全球性环境问题，预计到2050年全球塑料产量将达330亿吨，其中约45%的塑料废弃物最终进入自然环境。这些塑料在物理磨损、化学氧化和微生物降解作用下形成粒径小于5毫米的微塑料（microplastics）。令人担忧的是，土壤中微塑料的年释放量是海洋的4-23倍，已成为微塑料的主要汇集地。与此同时，土壤也是新烟碱类杀虫剂等有机污染物的主要归宿，这些污染物与微塑料的相互作用会显著改变其环境行为。然而，作为土壤中最活跃的组分，黏土矿物（clay minerals）如何影响微塑料与有机污染物的相互作用机制尚不明确。

针对这一科学问题，获得国家自然科学基金资助的研究人员开展了创新性研究，论文发表在《Applied Clay Science》上。研究选取典型黏土矿物蒙脱石（montmorillonite, MM）和高岭石（kaolinite, Kao），以及三种醋酸纤维素（cellulose acetate, CA）微塑料（商业粉末CF、服装纤维衍生CA和滤膜纤维衍生FF）为研究对象，系统探究了黏土矿物对噻虫啉（thiacloprid）在微塑料/水界面吸附行为的影响机制。

研究采用吸附动力学实验、等温吸附模型、热力学分析结合二维相关光谱（2D-COS）和理论计算等方法。通过伪二级动力学模型和Freundlich模型分析吸附过程，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）表征表面性质，并采用密度泛函理论（DFT）计算揭示分子水平作用机制。

【吸附动力学】研究发现黏土矿物对不同类型的CA微塑料表现出差异化影响：MM和Kao使商业粉末CF和服装纤维CA对噻虫啉的吸附量分别提升36.73%和15.32%，但抑制了滤膜纤维FF的吸附。动力学分析表明所有体系均符合伪二级动力学模型，说明存在化学吸附过程。

【吸附等温线】Freundlich模型能更好描述吸附过程，表明存在多分子层吸附。热力学参数显示吸附过程为自发的物理吸附（ΔG<0），且为放热反应（ΔH<0）。黏土矿物通过范德华力、氢键和极性相互作用占据微塑料表面位点，同时自身也提供新的吸附位点。

【作用机制】二维相关光谱和理论计算证实，噻虫啉优先吸附在黏土矿物的Si-O表面，其中MM比Kao提供更多有效吸附位点。分子模拟显示MM的层状结构和高比表面积使其具有更强的吸附能力，而Kao的1:1型结构限制了其吸附位点的可及性。

研究结论表明，黏土矿物通过双重机制调控微塑料对有机污染物的吸附：一方面直接作为吸附载体提供新的活性位点，另一方面通过表面相互作用改变微塑料的吸附特性。这一发现为理解土壤中微塑料-黏土矿物-有机污染物的复合污染过程提供了分子水平的理论依据，对评估污染物在土壤中的迁移转化和生态风险具有重要意义。特别值得注意的是，不同类型微塑料与黏土矿物的相互作用存在显著差异，这提示在环境风险评估中需要充分考虑微塑料的来源和物理化学特性。该研究建立的实验-表征-计算多方法联用策略，也为类似环境界面过程研究提供了方法学参考。