农沟中塑料废弃物的重金属含量：外源吸附与内源添加的区分与关系

《Journal of Hazardous Materials》：Heavy Metal Content of Plastic Waste in Agricultural Ditches: Distinction and Relation between Exogenously Adsorbed and Endogenously Added

　　

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  首次探索了农业沟渠中塑料废物的外源-内源重金属。
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  Zn（锌）的外源（231.76 mg/kg）和内源（119.31 mg/kg）含量均最高。
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  Pb（铅）、Cr（铬）和Cu（铜）的内源含量高于其外源含量。
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  农业塑料废物因其重金属含量高，需引起警惕。
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  沟渠环境和聚合物类型对塑料废物的重金属行为具有重要影响。

引言

塑料废物已成为一个全球性的环境挑战，2024年全球塑料产量达到4.309亿公吨[1]。塑料在现代农业中不可或缺，被广泛用于地膜、灌溉管道、肥料运输和储存材料[2]。尽管这些应用有助于作物保护，但其广泛使用导致大量塑料残留物持续在环境中积累[3]。虽然农业塑料可以提高作物产量和改善食品质量，但由此产生的污染会对土壤、水和植物产生不利影响[4]。

重金属污染是另一个全球性环境问题，这源于重金属的毒性、持久性和生物累积特性[5]、[6]。这一问题由多种因素共同作用导致，人类活动是主要贡献者[7]。现有大多数研究主要调查了从外部环境吸附到塑料表面的重金属。Cd（镉）、Cu（铜）、Pb（铅）和Zn（锌）等微量金属由于其表面理化性质、颗粒尺寸小以及比表面积大而能够吸附并积累在塑料颗粒表面[8]。金属吸附受聚合物类型、老化和溶液化学性质的影响；然而，许多实验室实验使用原始颗粒和高浓度金属，这可能限制了其环境相关性[9]。塑料也是重金属的来源，先前研究已发现各类塑料中存在固有金属[8]、[9]、[10]、[11]。金属基添加剂在塑料制造过程中作为颜料、稳定剂、催化剂和阻燃剂被加入[12]、[13]、[14]。例如，Cd、Zn、Ba（钡）和Pb用作聚乙烯（PE）包装的稳定剂，而含Ti（钛）的化合物常被添加为抗氧化剂和紫外稳定剂[15]、[16]。颜料也含有含Ti、Cr、Ni（镍）、Sb（锑）、Mn（锰）、Co（钴）、Al（铝）、Zn、Fe（铁）或Cu的混合金属氧化物[13]。由于某些添加剂金属如Cd、Pb、Cr和Sn（锡）并未与聚合物基质形成化学键合，它们可逐渐迁移到环境中[14]。

农业沟渠是农业景观中重要的水文组成部分，它们既能促进农田排灌，又能拦截非点源污染物并支持水生栖息地[17]。沉积在这些沟渠中的塑料废物可能含有两种主要来源的重金属：从周围环境吸附的外源金属和从塑料制造过程中添加的添加剂中释放的内源金属。虽然吸附的Pb表现出更高的生物可及性，但其绝对可释放浓度比添加剂来源的Pb低几个数量级[12]。因此，添加剂来源的重金属比环境吸附金属具有更大的环境风险[14]。然而，这些外源和内源组分此前仅在实验室条件下进行比较，而非在实际环境条件下。为弥补这一局限，本研究在农业沟渠环境中进行了原位调查，以确定现实环境条件下塑料废物中重金属来源的分布模式。为此，选择Pb、Cd、Cr、Cu和Zn作为目标金属，因为它们与塑料添加剂（包括热稳定剂、颜料和阻燃剂）相关，是普遍存在的环境污染物，且已明确其生态风险阈值。这些金属还表现出不同的环境迁移性和毒性。

本研究选择了中国洞庭湖盆地的两条农业沟渠——火把沟和排沟。这两个地点代表了不同的农业和居民土地利用影响；因此，可以进行由塑料引起的金属污染的比较分析。添加剂来源的重金属通常主导塑料相关重金属；因此，我们假设：（1）在农业沟渠的原位条件下，内源金属含量将普遍高于外源金属含量；（2）不同聚合物类型将表现出不同的内源/外源分配模式，这是由于添加剂配方和环境老化的差异所致；（3）不同来源的塑料将表现出特征性的重金属指纹。因此，本研究旨在：（i）量化并区分从农业沟渠收集的塑料废物中外源吸附和内源添加的Pb、Cd、Cr、Cu和Zn；（ii）考察塑料来源和聚合物类型对外源和内源金属分布模式的影响；以及（iii）探讨外源吸附金属和内源添加金属之间的相关性。因此，本研究为理解塑料废物在农业环境中既是环境金属汇又是添加剂金属潜在来源的双重角色提供了现场证据。

章节摘要

研究区域

本研究在中国茶盘州镇（28°56′N，112°45′E）进行，位于洞庭湖盆地内（图1）。该地区属于亚热带湿润季风气候，降水丰富，地势平坦。其密集的水网和完善的灌溉基础设施代表了洞庭湖盆地典型的水-农业景观。

样品采集与处理

研究区域的农业以水稻种植为主，同时种植玉米、棉花和油菜等经济作物。小龙虾和

农业沟渠中塑料废物的分布与特征

从两条农业沟渠中共采集了39个塑料废物样品，其中21个来自火把沟，18个来自排沟。根据来源，样品被分为农业类、渔业类和生活垃圾类。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析揭示了四种聚合物类型：PE、PP（聚丙烯）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）和PVC（聚氯乙烯）。

农业塑料在收集的废物中占主导地位，在39件废物中占22件（56.41%），其次是生活塑料（10件，25.64%）和渔业相关塑料（7件，17.95%），如

局限性

应承认本研究存在若干局限性。首先，某些聚合物和来源子组的样本量较小，特别是PVC（n=2），限制了子组特定结论的统计效力和推广性。其次，外源的操作性定义取决于提取方法，可能不代表所有环境吸附金属。第三，我们的目视采样方法只能收集表面可见的塑料废物，这意味着所获得的样品

结论

本研究全面调查了中国洞庭湖盆地农业沟渠中收集的塑料废物内外源重金属的区分及其关系。研究结果证实了我们的第一个假设，即在合并水平上内源金属浓度普遍高于外源金属浓度，并支持了第二个假设，即聚合物类型对金属分配有显著影响。然而，第三个

环境意义

塑料和重金属被认为是农业系统中的有害污染物。它们在农业沟渠中的共存通过营养级传递对水生生物、作物安全和人类健康构成复杂风险。塑料既是外源重金属的汇，也是内源金属基添加剂的来源。基于在农业沟渠中开展的研究，本研究专注于区分并考察外源吸附的

CRediT作者贡献声明

周志林（Zhilin Zhou）：调查研究。甘春能（Chuneng Gan）：调查研究。洪毅（Yi Hong）：调查研究。刘乔（Qiao Liu）：调查研究。刘英星（Yingxing Liu）：调查研究。游鹏玲（Pengling You）：撰写——初稿、调查研究、正式分析。温晓锋（Xiaofeng Wen）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。尹灵石（Lingshi Yin）：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法论、概念化。龙元南（Yuannan Long）：监督。江长波（Changbo Jiang）：监督。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52209048，52109083）、湖南省自然科学基金（2024JJ5207）、湖南省水利科技项目（XSKJ2025056-39）、湖南省教育厅科研项目（24B0293，25C0137）的资金支持。

重要性声明

塑料和重金属已被认为是农业系统中的有害污染物。它们在农业系统中的共存

游鹏玲（Pengling You）|温晓锋（Xiaofeng Wen）|刘英星（Yingxing Liu）|洪毅（Yi Hong）|刘乔（Qiao Liu）|周志林（Zhilin Zhou）|甘春能（Chuneng Gan）|龙元南（Yuannan Long）|江长波（Changbo Jiang）|尹灵石（Lingshi Yin）