《Journal of Hazardous Materials》：Deep transport potential of microplastics in estuarine riparian soils: Coupled controls of pore structure, hydrodynamics, and interfacial adhesion
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•微塑料在河口滨带土壤中随深度增加而富集。•较小颗粒表现出更强的向下迁移潜力。•XDLVO相互作用调控了接触后的粘附稳定性。•天然孔隙网络控制了微塑料的滞留与迁移。•冲刷通过优先孔隙通道促进了更深层的迁移。引言塑料污染已成为21世纪最紧迫的跨介质环境挑战之一[1]、[2]。由
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微塑料在河口滨带土壤中随深度增加而富集。
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较小颗粒表现出更强的向下迁移潜力。
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XDLVO相互作用调控了接触后的粘附稳定性。
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天然孔隙网络控制了微塑料的滞留与迁移。
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冲刷通过优先孔隙通道促进了更深层的迁移。
引言
塑料污染已成为21世纪最紧迫的跨介质环境挑战之一[1]、[2]。由于其持久性、迁移性和广泛分布性，塑料材料对生态系统和人体健康构成了日益增长的威胁[3]、[4]、[5]、[6]。在环境中，较大塑料碎片经风化和破碎作用产生微塑料（MPs，<5毫米），并可进一步降解为更小颗粒[7]、[8]。与整体塑料相比，微塑料表现出更强的迁移性、更大的比表面积以及与周围介质更强的相互作用[9]。它们可改变土壤理化性质[10]，与共存污染物相互作用以增强生态毒性[11]、[12]，并可能通过食物网传递威胁人体健康[13]、[14]。河口系统中的滨带区域是连接地表水、土壤和浅层含水层的关键界面[15]。在河口环境中，潮汐涨落产生交替的淹没与出露、干湿循环[16]以及近床面剪切应力的时间变化[17]，为微塑料迁移创造了动态水动力条件。这种强迫作用可能在土壤孔隙网络中重新分配来自地表水的微塑料，并促进其向深层土壤乃至浅层地下水向下迁移[18]、[19]。因此，河口滨带土壤不仅可作为微塑料的汇，还可作为其滞留和地下再分配的动态界面。然而，控制天然滨带土壤中微塑料迁移与滞留的孔隙尺度机制仍知之甚少，限制了对其地下命运的定量评估[20]、[21]。
微塑料在多孔介质中的迁移和滞留受孔隙结构非均质性、局部水动力和颗粒-固体界面相互作用的耦合效应控制，这些效应共同调控颗粒附着、再分配、再悬浮和逃逸[22]、[23]。柱状实验可提供颗粒穿透和滞留的整体信息[24]、[25]，而微流控研究则能够直接可视化单个孔隙内的优先迁移和捕获过程[26]、[27]。在孔隙尺度上，CFD-DEM提供了一种欧拉-拉格朗日框架，其中CFD解析携带流体的速度和压力场，离散颗粒模型根据合力和力矩平衡跟踪单个微塑料颗粒，从而将局部流场结构与颗粒轨迹、碰撞和滞留联系起来[28]、[29]。然而，朝向固体表面的水动力迁移并不必然导致稳定附着[30]。XDLVO理论通过表达总颗粒-表面相互作用能量为Lifshitz-van der Waals力、静电双电层力和Lewis酸碱相互作用力的共同贡献，对水动力学描述进行了补充。所得到的与分离距离相关的能量曲线表明附着是被排斥能垒所阻止还是被净吸引作用所促进[31]、[32]。因此，将CFD-DEM与XDLVO分析耦合，能够区分孔隙结构和流动在控制颗粒-壁面接触中的作用与表面化学在控制接触后粘附中的作用。尽管如此，大多数现有研究依赖于均质堆积床、简化的二维微模型或理想化的孔隙几何结构，因此无法完全表征天然河口滨带土壤的三维非均质性和方向连通性[33]。
高分辨率显微计算机断层扫描（显微CT）为解析天然土壤的三维孔隙架构以及研究物理真实孔隙网络中的颗粒迁移提供了有力手段[34]、[35]。然而，仅凭孔隙结构无法解释微塑料在非均质滨带土壤中是被固定、再分配还是迁移到更深层。这些结果还取决于局部流场如何引导颗粒通过连通通道，以及颗粒-土壤界面相互作用如何决定近壁面接触后的粘附稳定性。尽管近期研究强调了将微塑料迁移从孔隙尺度扩展到连续体尺度的必要性，但将野外观测到的垂直分布与真实孔隙网络重构、孔隙尺度流动模拟、颗粒追踪和界面力分析联系起来的综合框架仍未充分发展[36]、[37]。因此，孔隙喉道尺寸、网络连通性和方向性组织如何调控优先流动、近壁面接触、浅层滞留、深层积累以及水动力扰动下的颗粒逃逸仍不清楚。
为了研究河口滨带土壤中微塑料的垂直再分配及其滞留与深层迁移的孔隙尺度控制机制，本研究从长江和黄浦江沿岸采集了未扰动土芯。具体目标为：(1) 量化天然河口滨带土壤中微塑料随深度变化的丰度、组成和粒径分布，并识别尺度选择性垂直再分配的野外尺度特征；(2) 阐明孔隙喉道尺寸、网络连通性和方向性组织如何调控优先流动、近壁面接触和浅层滞留；(3) 揭示水动力扰动与颗粒-土壤界面相互作用如何共同控制粘附稳定性、深层积累和潜在颗粒逃逸。通过整合物野观测垂直分布、真实孔隙网络表征和结合XDLVO相互作用分析的孔隙尺度模拟，本研究为评估河口滨带土壤中微塑料的深层迁移潜力提供了机制基础，并识别了其向浅层地下水向下转移的可能途径。
章节摘要
土芯采集与样品保存
在长江口内选取了两个地理位置接近但基底特征差异显著的红树林点，以在最小化潜在微塑料输入大规模差异的同时，实现对站点特异性迁移与滞留过程的比较：长江河站点（31.383° N, 121.512° E）和黄浦江站点（31.386° N, 121.531° E）（图1）。两个站点均受河口潮汐影响，但表面基底特征存在显著差异。黄浦
微塑料的垂直分布与特征
在黄浦江和长江滨带区域采集的土芯中检测到了五种主要聚合物类型，即PE、PP、PS、PVC和PET，表明进入两个滨带土壤的微塑料类型大致相似。PE主导了黄浦江土壤的上层区段，而PVC和PS的比例在中下层区段增加。在长江河土中，PE的比例在表层相对较低，并随深度进一步降低。
结论
通过整合物野分层观测、三维孔隙结构表征、CFD-DEM模拟和XDLVO分析，本研究为所研究河口滨带土壤中微塑料的垂直再分配及其滞留和向下迁移相关的孔隙尺度过程提供了机制性认识。
本研究的主要结论如下：
(1) 微塑料的垂直分布特征：
在
CRediT作者贡献声明
吕文杰：撰写—审阅与编辑、监督、概念构思。李澳：资源获取、调查研究。朱璇：撰写—原始草稿、调查研究、数据整理。王家：撰写—审阅与编辑、调查研究。杨丹辉：可视化、数据整理。魏琪：资源获取、调查研究。白金昊：可视化、数据整理。周涛：调查研究、数据整理。
利益冲突声明
我们声明，我们与其他个人或组织之间不存在可能不当影响我们工作的财务和个人关系，我们不存在任何性质或种类的职业或其他个人利益涉及任何产品、服务和/或公司，这些利益可能被解释为影响题为"河口滨带土壤中微塑料的深层迁移潜力：孔隙结构、水动力学与"的稿件中呈现的观点或对该稿件的审阅。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52322003）的资助。
意义声明
天然滨带土壤中微塑料的迁移难以预测，因为滞留、优先迁移和粘附发生在非均质孔隙网络中。本研究通过将野外观测到的微塑料垂直分布与真实三维孔隙结构、CFD-DEM颗粒追踪和XDLVO相互作用分析相联系，提供了新的孔隙尺度证据。
朱璇|李澳|王家|周涛|白金昊|魏琪|杨丹辉|吕文杰
