长期施用生物固体能够改善半干旱旱地系统的关键土壤健康功能

《Science of The Total Environment》：Long-term biosolids applications improve key soil health functions for semi-arid dryland systems

本研究通过pot mill实验探究了expanded polystyrene（EPS）微塑料在海滩沙与河流沙中的碎片化过程（6-240小时），发现EPS受紫外线和机械力作用产生两种主要碎片尺寸类（5-100μm和200-1000μm），其形成与沙的颗粒形态及母体EPS的降解状态密切相关。体积平衡分析表明<5μm细小碎片占主导，具有显著环境生态风险。研究揭示了EPS碎片化的连续-跳跃式双重机制，为海洋微塑料迁移模型提供了理论基础。

　　微塑料碎片化是海洋生态系统中一个关键过程，其受到紫外线照射、机械力以及沙粒特性等多种因素的影响。尽管微塑料在生态环境中的重要性日益凸显，但其碎片化机制在自然条件下的研究仍较为有限。本研究通过模拟实验，重点探讨了EPS（膨胀聚苯乙烯）碎片化过程中的时间变化，包括碎片的形状、尺寸和数量，并分析了其与沙粒形态及原始微塑料降解状态之间的关系。实验采用“锅式研磨”（pot mill）技术，通过不同实验条件下的数据收集与分析，揭示了EPS在不同沙粒类型和降解状态下碎片化的不同路径和特性。

研究分为两个主要实验组：TRF-VB（使用原始EPS与海滩沙）和TRF-VR/DR（使用原始或降解EPS与河流沙）。在TRF-VB实验中，发现了两种主要的碎片尺寸类别：第一类（5–100 μm）在早期（6–12小时）出现，而第二类（200–1000 μm）则在48–72小时开始形成，并在120小时后趋于稳定，这可能是由于原始EPS表面层的硬化和剥离。而在TRF-VR实验中，仅观察到第一类碎片，而TRF-DR实验中，降解后的EPS在120小时后开始产生两种碎片类型。这表明碎片化路径受到沙粒形态和原始塑料降解状态的双重影响。

实验还发现，在所有条件下，细小碎片（<5 μm）占据了主导地位，这表明它们在生态环境中具有重要影响。碎片的尺寸分布斜率反映了碎片形状的变化，而斜率的变化则与碎片的生成数量和物理化学性质有关。例如，当碎片尺寸减小时，其斜率会更加陡峭，这可能是因为碎片的形状发生了变化，或者是因为碎片的进一步断裂导致了碎片数量的增加。通过统计分析和几何特征研究，研究人员提出了两种碎片化机制：连续断裂（continuous-cascading）和跳跃断裂（leap-cascading）。前者遵循一个较平缓的幂律分布（斜率接近?3），而后者则导致碎片数量在更小尺寸范围内迅速增加，这种现象在TRF-VB实验中尤为明显。

在实验中，研究者通过高分辨率的显微镜和激光显微镜技术，对碎片的几何特征进行了详细分析。结果表明，不同尺寸的碎片具有不同的形状特征，如圆形度、长宽比、厚度和扁平度。这些特征的变化与碎片的生成路径密切相关，特别是对于较大尺寸的碎片，它们的形状更加不规则，而较小的碎片则更接近于规则形状。此外，碎片的体积平衡分析进一步支持了细小碎片在微塑料碎片化过程中的重要性，因为它们在总碎片体积中占据了很大比例。

研究还探讨了碎片化过程中环境因素的作用，如紫外线照射和机械力对EPS的影响。在自然环境中，EPS碎片化主要发生在海滩区域，因为该区域的紫外线强度和机械力最为显著。实验中，通过控制条件下的沙粒形态和塑料降解状态，研究人员模拟了这些自然条件下的碎片化过程，并观察到不同沙粒类型对碎片化的影响。例如，海滩沙因其较高的角度和较低的流动性，导致了更剧烈的碎片化，而河流沙则因为较高的流动性，减少了碎片化速率。

此外，研究还发现，EPS碎片化过程中的细小碎片可能对生态环境产生更大的影响。这些细小碎片更容易被生物摄入，并且由于其表面积与体积比更高，可能具有更高的毒性。在实验中，研究人员观察到，随着碎片尺寸的减小，其对生物的潜在危害也逐渐增加。例如，某些微塑料颗粒（如15 μm的碎片）比较大的颗粒更容易被海洋生物摄入，而更小的碎片则可能对更广泛的生物群体造成影响。

通过对比实验数据与实际观察结果，研究进一步指出，微塑料的碎片化过程不仅受到物理因素的影响，还受到化学因素的制约。EPS中含有的单体和添加剂，如苯乙烯和多环芳烃（PAHs），可能在碎片化过程中释放到环境中，对生态系统造成潜在的化学危害。因此，理解EPS碎片化过程不仅有助于预测其在自然环境中的分布，还对评估其生态风险具有重要意义。

综上所述，本研究通过实验揭示了EPS碎片化过程中的时间演变及其与沙粒形态和降解状态的关系。这些发现为建立更精确的微塑料碎片化模型提供了理论基础，并强调了在自然环境中进一步研究碎片化机制的重要性。未来的研究应结合实验、数值模拟和理论分析，以更全面地理解微塑料的碎片化过程，并开发更有效的管理策略。