微塑料通过抑制沉淀、络合和电子转移作用，削弱了生物炭对Cd(II)的固定效果

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microplastics impair Cd(II) immobilization by biochar through suppressed precipitation, complexation, and electron transfer

　　

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  微塑料 (MPs) 显著抑制镉 (Cd(II)) 在生物炭上的吸附，降低了吸附容量和吸附速率。
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  尽管有微塑料干扰，生物炭表现出比 PS 和 PP 更高的镉吸附容量和稳定性。
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  微塑料延迟吸附平衡，并增加镉的解吸和再释放风险。
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  由于 PP 具有更高的疏水性和对电子转移更大的干扰，其抑制作用比 PS 更强。
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  微塑料通过抑制生物炭上的矿物沉淀和官能团络合，阻碍镉的稳定化。

引言

镉 (Cd(II)) 是土壤中最广泛且最具危害性的污染物之一，因其高毒性、强富集潜力和迁移性 [1]。最近的研究报道了微塑料 (MPs, <5 毫米 [2]) 在农业土壤中的广泛存在，表层土壤中丰度达到 78 个 kg^-1，亚表层达到 62.5 个 kg^-1 [3], [4]。聚丙烯 (PP) 和聚苯乙烯 (PS) 是农田土壤中检测频率最高且占主导地位的聚合物类型 [5]。微塑料以其高比表面积和多样的官能团为特征 [6]，可以吸附有机和无机污染物，从而作为复合污染的载体 [7]。其吸附行为受聚合物类型、表面化学性质、结晶度和老化过程的影响 [8]。越来越多的证据表明，重金属和微塑料在各种环境基质中普遍共存 [9], [10], [11]，特别是在农业土壤中。例如，廖等人 [9] 报道在中国成都不同耕作模式下，微塑料丰度与重金属含量 (如 Cd、Cr 和 Cu) 之间存在显著的正相关关系。

生物炭以其大比表面积、高碳氮比和丰富的表面官能团为特征，因其强吸附能力和潜在催化活性而被广泛应用于土壤镉修复 [12], [13]。此外，生物炭可以通过疏水相互作用、表面络合和增强孔隙率有效地吸附 PP 和 PS 微塑料 [14], [15]。

几项研究单独考察了水环境中重金属在生物炭和微塑料上的吸附 [2], [16], [17]。微塑料既可作为 Cd(II) 的载体 [18]，也可作为吸附底物，从而可能影响 Cd(II) 的保持 [19]。表 1 总结了生物炭、微塑料单独及其组合固定化重金属的效果和机制。生物炭通常表现出显著更高的重金属吸附容量，主要通过官能团络合、离子交换、矿物沉淀和 pH 调节 [19], [20], [21], [22], [23]。相比之下，微塑料主要通过静电吸引、氢键和表面络合吸附 Cd(II) [24], [25], [26], [27]。微塑料 (MPs) 和生物炭在污染土壤中的共存创造了复杂的三元体系，显著影响重金属的吸附、固定化和环境归趋。孟等人 [28] 发现，与微塑料共存使生物炭对 Cd 的吸附减少了 0.72–50.35%，对 Ni 减少了 1.17–30.43%，对 Cu 减少了 5.78–47.88%。这种抑制作用在微塑料粒径较小时更为明显。同样，张等人 [29] 发现聚乙烯微塑料降低了农业土壤的镉吸附容量，同时增加了镉的解吸，且效果取决于剂量和粒径。这种抑制作用受微塑料尺寸 [28], [29]、环境条件 [30] 和微塑料类型 [31], [32] 的影响。

微塑料的类型显著影响其与生物炭和重金属的相互作用。如 PP、PS 和 PBT 等微塑料表现出不同的表面性质、官能团和老化行为，导致对重金属的吸附亲和力各异，并与生物炭产生竞争或协同相互作用 [21], [22]。然而，大多数研究关注吸附容量，而未充分阐明微塑料、生物炭和重金属离子之间的分子尺度相互作用。涉及三元体系相互作用的具体官能团、表面电荷和结合能仍缺乏表征。微塑料化学成分、结晶度和表面性质对其与生物炭和重金属相互作用的影响需要更严谨的研究。此外，微塑料对多孔介质中重金属运输的影响，特别是生物炭 - 微塑料 - 重金属复合物的共运输，也很少受到关注。

在本研究中，进行了单组分 (BC, PP, PS) 和双组分 (BC+PP, BC+PS) 体系的吸附 - 解吸和柱淋洗实验，以阐明微塑料对生物炭吸附镉的抑制作用，并辅以全面的表征。具体目标是评估微塑料对生物炭上镉吸附容量和迁移行为的影响；比较两种微塑料 (PP 和 PS) 对镉吸附和运输的影响；并阐明生物炭与微塑料之间的相互作用，从而揭示微塑料影响生物炭吸附镉的抑制机制。

章节片段

材料与试剂

粒径为 100 目 (0.15 毫米) 的 PP 和 PS 均购自广东红兴高分子材料有限公司。石英砂 (16–26 目) 依次用稀 HCl 和 NaOH 溶液清洗，随后用去离子水反复冲洗，并在 70°C 下干燥。硝酸镉 (Cd(NO₃)₂) 购自天津致远化学试剂有限公司。所有其他化学品，包括硝酸 (HNO₃)、硫酸 (H₂SO₄)、盐酸 (HCl)，

BC 和 MPs 的表征

SEM 图像显示，BC (图 1a) 呈现出典型的孔隙结构，具有丰富的空腔、粗糙的表面和互连的通道，为 Cd²⁺ 提供了许多可及的吸附位点。相比之下，MPs (图 1b 和 c) 表现出相对光滑且带有褶皱的表面，可能是机械破碎的结果 [34]。BET 分析进一步表明，在二元体系中 (图 1b 和 c)，BC 具有 1.4 - 1.7 倍更高的比表面积和 3.2 - 8.8 倍更大的

结论

这项工作评估了微塑料 (MPs) 在生物炭 (BC) 吸附 Cd(II) 中的作用。结果表明，在 Cd–MP 共存体系中，MPs 显著抑制了 Cd(II) 在 BC 上的吸附，降低了吸附容量和速率，同时增加了解吸和再释放风险。BC 表现出比 PS (13.78 mg·g?1, 78.24%) 和 PP (10.65 mg·g?1, 83.92%) 更高的吸附容量和稳定性 (24.59 mg·g?1, 12.08%)。然而，MPs 的存在大大延迟了

CRediT 作者贡献声明

Jingyi Wang: 可视化。Ran Tao: 撰写 - 原稿，正式分析。Yuan Liang: 撰写 - 审查与编辑，监督，方法论，正式分析。Zelun Zhao: 监督。Yan Wang: 撰写 - 原稿，数据整理。Lingzhao Kong: 监督，资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的相互冲突的财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会被认为影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 (编号：42207479) 的支持。

作者贡献

Yan Wang: 进行实验，数据分析，撰写手稿和数据整理。Ran Tao: 进行实验，方法论，调查和撰写 - 原稿。Yuan Liang: 对分析、监督和撰写手稿做出了重大贡献。Jingyi Wang: 调查。Lingzhao Kong 和 Zelun Zhao: 撰写 - 审查与编辑，监督，项目管理，

Yan Wang|Ran Tao|Jingyi Wang|Zelun Zhao|Yuan Liang|Lingzhao Kong