基于实验室水槽实验研究可变水动力条件下水库系统中微塑料与悬浮沉积物异质聚结机制

《Environmental Pollution》：Heteroaggregation mechanisms of microplastics with suspended sediments in a reservoir system under variable hydraulic conditions using laboratory flume experiments

　　**摘要**- 聚甲基丙烯酸甲酯吸附于沉积物上，形成比聚苯乙烯更稳定的絮体。- X射线光电子能谱揭示了微塑料-沉积物异质聚集过程中结合能位移及表面化学变化。- 聚甲基丙烯酸甲酯-沉积物体系表现出比聚苯乙烯-沉积物体系更低的能垒和更弱的排斥作用。- 原子力显微镜证实聚甲基丙烯酸甲酯-沉积物体系具有更高的粘附力，从而带来更大的内聚力和稳定性。**引言**塑料垃圾的不当处置预计到2050年将达到1.21亿吨，几乎是当前数量的两倍，同时还会导致温室气体排放增加37%（Pottinger等, 2024）。被不当处置的塑料在水体和陆地环境中通过光降解及其他风化过程分解成碎片，随后以微塑料的形式进入河流和海洋（Duan等, 2021；Ma等, 2025）。被不当处置的塑料在海洋中通过光降解及其他风化过程分解成碎片，随后分散到水体环境中（Dam等, 2014）。2016年，估计有1900万至2300万吨全球塑料垃圾（约占总量的11%）被排入水生态系统（Borrelle等, 2020）。随着时间推移，较大的塑料因环境因素逐渐分解为尺寸介于1微米至5毫米之间的小颗粒，即微塑料（Thompson等, 2004）。亚洲河流的塑料流出量估计为每年9280万吨，占全球总量的69%（Mai等, 2020）。在中国，河流中微塑料的丰度范围为0.041至34.7个·L?1（平均4.70个·L?1），湖泊中为0.5至14.35个·L?1（平均3.98个·L?1），水库中为1.80至27.5个·L?1（平均9.88个·L?1）。根据Gan等（2024）的研究，地表水中微塑料丰度的排序为：水库 > 河流 > 湖泊。中国河流、湖泊、水库及河口沉积物中微塑料的丰度中位数分别为61至1531、19至1236和120至1228个·kg?1（Pan和Zhang, 2025）。上述分析表明，微塑料丰度在水体环境（包括河流、湖泊和水库）中有所差异。然而，"沉积物是微塑料的最终归宿"这一结论应谨慎解读，因为沉积物与水体中报告的浓度数据来源于具有不同空间和时间分辨率及不同计量单位的研究（Zhang等, 2021）。在水体系统中，微塑料的输运和沉积主要受水文特征、暴雨事件、水力条件以及微塑料自身物理和化学性质的影响（Nizzetto等, 2016；Shen等, 2024；Li等, 2022）。在水体系统中，微塑料的输运和沉积受水文特征、暴雨事件、水力条件以及颗粒自身物理和化学性质等多种因素的共同影响。然而，自然水体环境中的微塑料很少以离散颗粒的形式存在；它们经常与大小相近的悬浮颗粒物形成聚集体。这种聚集是控制微塑料输运和最终归宿的关键物理化学过程（Alimi等, 2018）。聚集过程涉及两个颗粒相互靠近直至碰撞，随后发生附着（Alimi等, 2018）。这可以发生在同种类型的两个颗粒之间（同质聚集），也可以发生在不同种类型的两个颗粒之间（异质聚集）（Lowry等, 2012）。河流中的微塑料可以与其他微塑料发生同质聚集，也可以与悬浮沉积物、有机物、藻类及其他颗粒发生异质聚集（Li等, 2022）。沉积是指颗粒附着到较大的固定收集器表面（如含水层/沉积物颗粒）的过程（Alimi等, 2018）。控制颗粒聚集和沉积的基本机制已被广泛描述（Parrella等, 2024）。异质聚集是指两种或多种不同类型颗粒形成聚集体的过程，对于微塑料和纳米颗粒而言，由于天然胶体数量远多于微塑料和纳米颗粒本身，异质聚集比同质聚集更容易发生（Lowry等, 2012）。异质聚集更为常见，因为其他悬浮颗粒的浓度远高于微塑料（Alimi等, 2018）。悬浮沉积物是水生态系统的重要组成部分，其颗粒中位粒径在0.006至0.02毫米之间（Li等, 2019），其细颗粒特性为微塑料吸附提供了理想的界面条件（Ebrahimi等, 2019）。Li等（Li等, 2022）研究了含砂湍流中微塑料与沉积物之间的相互作用。研究结果表明，湍流可以导致沉积物和微塑料发生明显的聚集，且粒径迅速增大。Besseling等（Besseling等, 2017）报道，在天然淡水中，近球形微塑料与悬浮沉积物（高岭土和膨润土）异质聚集的附着效率介于0.004至0.2之间，具体取决于微塑料粒径和沉积物特征。Wang等（Wang等, 2023）以原始老化的聚乙烯颗粒为研究对象。研究发现，静电相互作用主导了聚乙烯与黏土矿物之间的异质聚集过程，而黏土矿物的类型对由异质聚集引起的聚乙烯沉降没有显著影响。微塑料与悬浮沉积物的聚集受颗粒间粘附力的影响。这种行为受多种因素的影响，包括微塑料和沉积物的性质以及沉积环境，从而呈现出动态可变的特征。因此，悬浮沉积物与微塑料的聚集机制和性质值得进一步研究。在微塑料与粘性沉积物聚集过程中，颗粒的结合方式——例如Ca2?桥键与聚合物链缠结之间的协同作用——极大地影响絮体的分形维数、孔隙率和力学性能。絮体颗粒之间的吸引势能（范德华力、疏水作用）与排斥势能（双电层排斥、空间位阻）之间的相互作用符合DLVO胶体稳定化理论（Derjaguin和Landau, 1941）及"桥联"理论（La Mer, 1966）。絮体的结构演化对于理解聚集动力学和机制至关重要。复杂的水动力条件显著影响微塑料絮体。当外部应力超过絮体内部内聚力时，絮体结构会发生破碎。破碎程度取决于在施加力下絮体固有的强度（Simons等, 2019）。研究结果表明，水流扰动剪切率对异质聚集的影响具有两面性。弱流湍流促进颗粒碰撞形成絮体，而强流湍流则导致絮体破裂（Zhang等, 2025）。微塑料和沉积物絮体的结构和力学性质显著影响其物理行为和运动，进而影响其流动性、沉降和再悬浮（Waldschl?ger和Schüttrumpf, 2019；Lu等, 2023）。絮体中颗粒与颗粒之间、颗粒与水分子之间的力是决定絮体各种性质（如尺寸、结构和强度）的根本原因（Li等, 2023）。絮体中颗粒与颗粒之间、颗粒与水分子之间的力是决定絮体各种性质（如尺寸、结构和强度）的根本原因。目前仅有少量研究探讨了微塑料与粘性沉积物在水体环境中的聚集行为，微塑料与沉积物的异质聚集以及所形成絮体的物理化学性质仍然知之甚少。这限制了我们预测微塑料在天然含砂水体中环境归宿和输运的能力。本研究旨在：（ⅰ）阐明在不同水动力剪切条件下微塑料-沉积物聚集体和絮体形态变化的规律；（ⅱ）探索微塑料-沉积物絮体的微观形貌和官能团变化，以揭示其聚集机制；（ⅲ）进一步探究微塑料-沉积物絮体的相互作用能和原子间作用力。这些发现阐明了异质聚集如何控制微塑料的归宿，从而推动大型水库系统中环境污染风险评估的进展。**章节摘要****材料**基于长江水体悬浮固体中的矿物成分（Zhang等, 2025；Ding等, 2013；Wang等, 2025a），采用伊利石（35%）、石英（20%）、高岭土（25%）、蒙脱石（17%）和钠长石（3%）配制实验沉积物样品。通过激光粒度分析仪测得的沉积物粒径分布见补充材料中的图S1。悬浮沉积物的矿物组成见表S1。**不同剪切速率下塑料与沉积物异质聚集过程**不同水力条件下絮体粒径随时间的变化如图2所示。在变化的湍流剪切速率下，三种絮体类型的中位粒径在0.05至0.15毫米之间。在0至15分钟内，絮体粒径在较小范围内波动，这归因于絮凝生长速率和破裂速率的持续变化。然而，在15至75分钟内，絮体粒径逐渐增大并适应了水力环境。75分钟后……**结论**本研究考察了两种类型的微塑料（聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯）与沉积物在不同湍流剪切应力下的异质聚集行为和絮体特征。结果表明，在各种G值下，三种材料形成的絮体粒径随时间先增大，后减小，最终趋于稳定。对三种絮体力学性能的分析表明，聚甲基丙烯酸甲酯与沉积物聚集形成的絮体最为稳定。SEM、EDS和FTIR分析……**作者贡献声明****刘洁**：写作——审阅与编辑，数据整理。**黄媛媛**：数据整理。**江辉**：写作——审阅与编辑，方法学，调查研究，概念构思。**李巧莹**：写作——初稿，方法学，数据整理。**赵厚成**：写作——审阅与编辑，调查研究。**未引用参考文献**Ebrahimi等, 2019；Li等, 2019；Kikuchi等, 2025。**利益冲突声明**? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本文感谢以下资金支持：国家自然科学基金（52109077）；重庆交通大学—长江水利枢纽发电公司土木水利工程与水利水电工程联合研究生培养基地（JDLHPYJD2020024）；以及重庆交通大学重庆市研究生联合培养基地（JDLHPYJD2021004）。江辉 | 赵厚成 | 李巧莹 | 黄媛媛 | 刘洁