聚乙烯和聚乳酸微塑料通过不同的机制影响酸性粘土土壤中六价铬（Cr(VI)）和三价铬（Cr(III)）的迁移

《Environmental Pollution》：Polyethylene and polylactic acid microplastics affect the migration of Cr(VI) and Cr(III) in acidic clay soil via distinct mechanisms

微塑料与铬在农业土壤中共存影响其吸附迁移机制研究，采用批式和柱式实验分析新/老化聚乙烯（PE）和聚乳酸（PLA）对Cr(III)/Cr(VI)吸附及非饱和土壤中迁移的影响，发现MPs抑制铬吸附且效果随添加量增加，Cr(VI)迁移速率快于Cr(III)，PE迁移性优于PLA且老化后吸附能力增强，Cr(III)可抑制MP迁移。

　　

冯伟明|徐功伟|翟新如|郑立兵|李海莲

济南大学水利与环境学院，中国济南250022

摘要

微塑料（MPs）和重金属在农业土壤中的共存导致其在吸附和迁移过程中的复杂相互作用。了解这些物质在真实土壤条件下的命运对于评估相关的环境风险至关重要。因此，本研究使用了原始状态和老化状态的聚乙烯（PE）及聚乳酸（PLA）微塑料，通过批处理和柱实验来探究它们对铬（Cr）在非饱和稳态土壤中吸附和迁移的影响。批处理实验结果显示，土壤对六价铬（Cr(VI)的吸附量低于三价铬（Cr(III)（分别为0.44 mg/g和1.45 mg/g）。添加微塑料会抑制铬的吸附（在添加7%微塑料时，Cr(VI)和Cr(III)的吸附量分别降至0.40 mg/g和1.23 mg/g），且吸附能力随微塑料剂量的增加而降低。柱实验表明，六价铬达到吸附平衡的速度比三价铬快（分别为25个孔体积和41个孔体积）；其迁移主要受土壤水力条件控制，而微塑料具有抑制作用。相比之下，三价铬的迁移主要受吸附作用影响，微塑料的添加反而促进了其迁移。就微塑料本身而言，PE的迁移能力更强，但这种能力会随老化而减弱，而PLA则表现出相反的趋势。有趣的是，三价铬的存在会减少微塑料的迁移。这些发现阐明了微塑料在真实土壤条件下对铬迁移的影响和机制，增强了人们对共存污染物迁移动态和环境命运的理解。

引言

随着工业化（采矿、镀铬和皮革鞣制）的快速发展，土壤中的铬（Cr）污染已成为一个紧迫的全球环境问题（Gao等人，2024年）。在土壤中，铬主要以三价铬（Cr(III)和六价铬（Cr(VI)的形式存在，两者性质有显著差异。Cr(III)主要以阳离子形式存在，容易与有机和无机物质结合形成不溶性物质，因此迁移性较低（Ertani等人，2017年）。Cr(VI)以阴离子形式存在（例如CrO₄^2-、Cr₂O₇^2-），在水中和土壤中具有高溶解度和高迁移性，容易扩散和渗透（Ertani等人，2017年）。此外，Cr(VI)是一种已知的人类致癌物，具有强氧化性，能够穿透细胞膜并通过还原反应产生活性氧物种，引发细胞凋亡（Singh等人，2022年）。相比之下，Cr(III)是人类必需的微量元素，毒性远低于Cr(VI)（Singh等人，2022年）。值得注意的是，Cr(VI)和Cr(III)的氧化还原反应在自然界中自然发生（Choppala等人，2013年）。因此，这两种铬形态在土壤中的迁移和转化需要持续关注。

塑料在各个行业中得到广泛应用，尤其是在农业领域（如薄膜覆盖、农具和灌溉管道）（Xu等人，2025年）。其中，聚乙烯（PE）是最常用的塑料，它难以降解，在土壤中长期存在，对土壤结构、作物生长和重金属的行为产生持续影响（Zhang等人，2025年）。相比之下，聚乳酸（PLA）作为一种可降解塑料，被认为是减轻塑料污染的替代品（Zhang等人，2025年）。需要注意的是，由于风化和紫外线（UV）辐射的作用，土壤中的塑料制品会逐渐分解成微塑料（MPs，< 5 mm）（Xu等人，2025年）。因此，本研究选择了PE和PLA微塑料来比较它们在农业土壤中的环境行为。

由于微塑料和铬的来源在农业和城市环境中有很大重叠，它们在土壤中的共存已成为普遍现象（Wu等人，2024年）。研究表明，工业和采矿废水等是导致农业土壤铬污染的主要来源（Zhao等人，2019年），而农业薄膜、化肥、灌溉等则是微塑料的主要来源，这造成了这两种物质在土壤中的共存。此外，Bian等人（2024年）报告称，重金属（包括铬）的分布与农业塑料薄膜的使用存在显著的空间重叠。值得注意的是，微塑料具有丰富的官能团和较大的比表面积，能够吸附和积累重金属（包括铬）（Wu等人，2024年）。此外，在自然环境中，微塑料会经历降解过程，紫外线辐射是关键因素（Chen等人，2021年）。老化和降解会导致微塑料表面氧化，改变其表面官能团，从而改变其环境行为和污染物吸附能力（Fu等人，2021年）。因此，本研究采用紫外线照射来探究老化对微塑料吸附性能的影响。

微塑料可以影响土壤对重金属的吸附。研究发现，将微塑料加入土壤通常会降低重金属（如铜、铅、锌等）的吸附（Li等人，2021a；Peng等人，2024年）。除了吸附作用外，大量研究还探讨了微塑料与重金属的共迁移现象。例如，Chu等人（2024年）和Zhao等人（2023年）在水饱和条件下使用玻璃珠进行了柱实验，证明了铅（Pb(II)）/铜（Cu(II)通过与含氧官能团的吸附而共迁移；此外，较高的离子强度（100 mM）可以抑制微塑料的迁移并抑制共迁移。此外，环境pH值、微塑料粒径和表面官能团都会影响共迁移过程。Chang等人（2024年）和Ji等人（2025年）在石英砂介质中进一步研究发现，PS的老化、较大的粒径和较高的剂量会促进铅（Pb(II)的迁移，而较快的流速会降低吸附从而促进迁移。关于聚丙烯（PP）和镉（Cd(II)的共迁移也有类似的结论（Li等人，2021b）。不同聚合物对重金属的迁移影响不同。例如，PLA促进了镉（Cd(II)的共迁移，而聚氯乙烯（PVC）则没有这种作用，这可能归因于PLA更强的吸附亲和力和更高的迁移性，使其成为镉的有效载体（Fei等人，2023年）。然而，上述研究都是针对阳离子重金属进行的，微塑料与含氧阴离子重金属的相互作用相对较少。例如，Hao等人（2023年）发现微塑料在中性条件下促进了砷（As）的迁移。此外，大多数研究使用玻璃珠或石英砂作为多孔介质，这无法反映真实土壤的复杂环境。还值得注意的是，所有研究都是在水饱和条件下进行的，而在自然环境中，大多数土壤是非饱和的。土壤湿度受季节变化、降雨和蒸发的影响，只有在地下水位以下或持续被淹没的区域才会饱和（Ujwala Shenoy等人，2021年）。

因此，本研究使用了原始状态和老化状态的PE和PLA来探究1）微塑料添加对土壤中Cr(III)/Cr(VI)吸附的影响；2）微塑料在非饱和稳态条件下对土壤中Cr(III)/Cr(VI)迁移行为的影响机制。此外，还从土壤柱的不同深度定量提取了微塑料，以阐明其迁移行为。我们假设微塑料的添加会影响土壤中铬的吸附和迁移，这种影响取决于微塑料类型和铬的形式。本研究将进一步了解微塑料与不同氧化态铬在真实土壤环境中的相互作用，并为评估微塑料和铬共同污染的风险提供新的见解。

材料与试剂

PE和PLA微塑料（粒径：75 μm）购自中国东莞的中新塑料有限公司，密度分别为0.92 g/cm³和1.24 g/cm³。首先用10%盐酸和蒸馏水依次清洗以去除潜在的表面重金属（Zhou等人，2019年），然后风干并储存在棕色玻璃瓶中以备后续使用。样品放置在距离紫外线灯（254 nm，20 W × 2）20厘米的位置，实验条件为25 ± 2 °C和55%相对空气湿度

原始状态和老化状态微塑料的表征

总体而言，老化会改变微塑料的表面形态和官能团结构，从而可能增加其吸附能力。原始状态和老化状态微塑料的扫描电子显微镜（SEM）图像（图1）显示，老化使表面变得粗糙并增加了裂纹密度。具体来说，PE表面有许多皱纹和不规则的突起，而PLA表面的裂纹较少——这一特征可能源于微塑料的制造过程。老化后，两种微塑料都出现了更深的裂纹

结论

本研究探讨了PE和PLA微塑料对酸性粘土土壤中铬（Cr）吸附和迁移的影响。微塑料的添加抑制了土壤中对六价铬（Cr(VI)/三价铬（Cr(III)的吸附，且这种抑制作用在较高微塑料剂量下更为明显。此外，PLA处理的样品比PE处理的样品表现出较弱的抑制效果，且两种微塑料的抑制能力随老化而减弱。

在非饱和稳态条件下进行的柱迁移实验显示，微塑料

CRediT作者贡献声明

翟新如：研究。徐功伟：研究、正式分析。李海莲：写作——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。郑立兵：研究。冯伟明：写作——初稿、方法学、研究

未引用参考文献

Fu等人，2021a；He等人，2021；Jin等人，2024；Liu等人，2024；Luo等人，2024；Turner等人，2020。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42377019）、山东省自然科学基金（ZR2024MD036）的支持。