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环境学院侯德义团队揭示塑料污染对人类世地质循环的影响

清华新闻网4月19日电 自工业革命以来,全球人口的快速增长与经济的飞速发展对地球地貌与环境造成了巨大影响,人类活动对地球系统的改变开创了一个全新的地质年代——人类世(Anthropocene)。近日,澳亚国际电子游戏环境学院侯德义教授团队首次报道了陆地生态系统中人类世的标志物——塑岩,为人类活动对地质循环造成的影响提供了新的直接证据。

在此窗难枪实缱佑蜗钒外考察研究中发现的塑岩样品里,低密度聚乙烯塑料与以石英为主要矿物组分的岩石(成土母质)发生了不可逆的化学结合作用,致使塑料成为沉积岩地层的一部分,进而能够被长期保存在地球的地质记录中,成为人类世的标记。这一新的沉积岩类型是人类活动作为一种新的地质营力影响地球地质周期的直接证据。该研究结果发表后引起学界普遍关注。《自然》(Nature)期刊发表专题新闻文章,对该研究成果进行了大篇幅的详细报道(图1)。曾于2008年首次提出Anthropocene概念的英国著名地质学家、人类世国际工作组主席扬·扎拉西耶维奇(Jan Zalasiewicz在《自然》的报道中称赞该研究给人类世赋予了更多的现实意义。《中国科学报》以“科学家首次发现塑料岩石”为题进行相关报道。

图1.《自然》(Nature)期刊专题新闻报道

研究团队在西南地区开展野外工作时,偶然发现了塑岩,其塑料组成包括低密度聚乙烯(LDPE)和聚丙烯(PP),其粘附的沉积岩的主要矿物成分为石英。结合塑料厚度、氧化程度与当地土地利用类型推测,LDPE与PP分别来源于农膜投加与一次性塑料袋使用。根据周边的水文和地质、土壤等条件推断,历史洪水泛滥,携带上游塑料冲刷、撞击多棱角的岩石,是塑岩形成的前提条件(图2)。

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图2.塑岩的发现地

多个证据显示,LDPE塑料与岩石发生不可逆的化学结合:1)SEM-EDS图谱显示出代表塑料与岩石的元素发生交叠;2)XPS Si 2p图谱出现了Si-O-C化学键的特征峰;3)FTIR图谱呈现出含有Si-O的吸收峰;4)XRD图谱出现代表石英的衍射峰(图3)。针对PP薄膜,XPS Si 2p图谱中并未出现产生化学键的证据,预示其主要通过物理作用而不是化学键附着于岩石之上。

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图3.(a)塑岩的形态学特征;(b)塑岩XPS Si 2p谱图;(c)塑岩红外光谱谱图;(d)塑岩的XRD谱图

研究团队在实验室内通过干湿循环实验,探究了塑岩释放微纳米塑料的能力。与利用吹膜法制备的相同厚度塑料薄膜相比,相同循环次数下塑岩中的LDPE和PP可释放更多微塑料颗粒。微塑料的释放过程遵从零级动力学,显示出持续的微塑料释放能力。10次干湿循环过程中,LDPE与PP分别可累积释放1.03×108个/m2、1.28×108个/m2微塑料颗粒(图4),其释放速率比文献报告的垃圾填埋场、海洋环境下微塑料的释放速率高2个数量级以上(图5)。除此之外,干湿循环同样造成了纳米塑料的释放。NTA表征结果显示,单次干湿循环即可从塑岩结合的LDPE与PP中释放4.20×1012个/m2,9.01×1012个/m2纳米塑料颗粒(图6)。在全球变化的大背景下,洪水泛滥事件造成的干湿循环频次增加,这一塑料的赋存形式与其他赋存形式相比,存在较高的生态风险。这一发现是塑料这一人造材料进入自然界地质循环过程的直接证据,阐释了塑料制品在环境中一种新的风险机制与归趋。

图4.干湿循环情形下微塑料的零级释放过程

图5.微塑料释放速率与文献报道速率的对比

图6.单次干湿循环产生纳米塑料计数

4月3日,研究成果以“塑料-岩石复合体与微塑料的释放(Plastic?Rock Complexes as Hotspots for Microplastic Generation)为题在线发表于国际学术期刊《环境科学与技术》(Environmental Science & Technology)并获选封面文章(front cover)。

环境学院2020级博士研究生王刘炜为论文第一作者,环境学院侯德义教授为论文通讯作者,论文共同作者包括挪威海洋研究所的班克(Bank教授和德国伍珀塔尔大学的林克里布(Rinklebe教授。

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c00662

《自然》专题新闻报道链接:

https://www.nature.com/articles/d41586-023-01037-6

供稿:环境学院

题图设计:梁晨

编辑:李华山

审核:郭玲

2023年04月19日 14:10:22

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