塑岩:成因、分布与微塑料释放特征.pdf
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1、塑料污染是受到全球广泛关注的环境问题,对人体健康与生态系统造成潜在威胁.已有证据表明,塑料能够与自然界的岩石发生稳定结合,成为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.在这些发现的基础上,本文提出并定义了一种新的沉积岩类型塑岩.塑岩是塑料与碎屑物质胶结形成的沉积岩;在塑岩中,肉眼可见的塑料与沉积岩原始物质成分在地壳表层的条件下,经熔化-凝固、蒸发、吸附等物理、化学过程,发生了不可逆的结合.在前期发现的基础上,针对 2022 年 7 月在广西壮族自治区河池市采集得到的陆地生态系统塑岩样品,进一步研究其在干湿循环情形下微塑料的释放与粒径分布特征.研究表明,在干湿循环老化情形下,从塑岩
2、中释放得到的微塑料的粒径分布可以被条件概率老化模型刻画.从塑岩中剥离的低密度聚乙烯(LDPE)和聚丙烯(PP)塑料的破碎维数总体在 1.52.5 之间浮动,呈现出二维破碎的特征;LDPE 的破碎过程存在先加剧后减缓的过程,但 PP 的破碎维数恒定在 2 附近,预示塑岩结合的 PP 塑料具有长期释放微塑料的能力.除此之外,在塑岩释放的微塑料中,超过 60%为具有较高迁移性的圆球状微塑料,其平均粒径显著低于其他形状,具有较高的迁移性,预示着潜在的生态风险.需要指出的是,目前针对塑岩的相关报道对其胶结成岩过程以及在自然界中的长期环境行为仍不甚明确,后续研究需要对其在自然环境中的成岩过程、赋存规律与长
3、期归趋开展进一步研究与观测.关键词:沉积岩;塑岩;地质;粒径分布;微塑料中图分类号:X54文章编号:1001-6929(2023)08-1457-10文献标志码:ADOI:10.13198/j.issn.1001-6929.2023.07.14Plastistone:Diagenesis,Global Distribution,and Microplastic GenerationCharacteristicsWANG Liuwei,HOU Deyi*School of Environment,Tsinghua University,Beijing 100084,ChinaAbstract:P
4、lastic pollution is an environmental problem of global concern,posing potential risks to human health and ecosystems.Mounting evidence suggests that plastic debris can irreversibly adhere to the host rock,providing direct evidence of how human activitiesare altering Earths geological record.Based on
5、 these findings,this study defines a new type of sedimentary rock called plastistone.Plastistone is a sedimentary rock formed of visible plastic and clasts derived from pre-existing rock that were cemented together.In aplastistone,visible synthetic plastic polymers were irreversibly stuck onto or in
6、corporated within the mineral matrix due to variousphysical and chemical processes such as melting-freezing,evaporation,and adsorption.This study aimed to examine the generation andsize distribution of microplastics derived from plastistones collected in the terrestrial ecosystem during a field surv
7、ey conducted in HechiCity,Guangxi Zhuang Autonomous Region,China,in July 2022.It was discovered that microplastics generated from plastistones duringartificial wet-dry cycling followed a conditional fragmentation pattern.The fragmentation dimension modeling results showed apseudo-2D fragmentation pa
8、ttern for plastistones,with values falling within 1.5-2.5.The fragmentation dimension values for PPplastistones remained steady,while those for LDPE first increased and then decreased.Furthermore,more than 60%of the identifiedmicroplastics were spherical in shape and had smaller diameters compared t
9、o other polymer types.This emphasizes the potentialecological risks associated with these highly mobile microplastic particles.Additionally,it is important to note that the lithification processand long-term environmental behavior of plastistones remain unclear at present.Therefore,future research s
10、hould focus on investigatingthese aspects in greater detail.Keywords:sedimentary rock;plastistone;geology;size distribution;microplastic 收稿日期:2023-06-05修订日期:2023-07-11作者简介:王刘炜(1997-),男,甘肃兰州人,.*责任作者,侯德义(1980-),男,湖南郴州人,教授,博士,博导,主要从事土壤与地下水污染过程与可持续修复研究,基金项目:国家自然科学基金项目(No.42225703)Supported by National N
11、atural Science Foundation of China(No.42225703)第 36 卷第 8 期环境科学研究Vol.36,No.82023 年 8 月Research of Environmental SciencesAug.,2023 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,人类活动对地球的改变开创了一个全新的地质年代人类世(Anthropocene)1-2.这一概念被 2008 年由英国著名地质学家 Jan Zalasiewicz 正式提出,认为人类对地球的影响已经足以让地球结束全新世(Holocene)、步入形成一个新的地质年
12、代3.然而,由于缺乏人类改造地球地质记录的直接证据,目前学界对这一科学与社会交叉的概念仍存在一定争议.找到地球地层中可见、可测度的标志物,可作为地质学界所公认的“金钉子”(Global Boundary Stratotype Section and Point,GSSP),为人类世的确立提供相应的地层学依据4-5.沉积岩是地表最常见的岩石类型,是在地壳表层条件下,由母岩的风化产物、生物物质、宇宙物质等,经过搬运作用、沉积作用和成岩作用而形成的岩石6.在地表出露的三大类岩石中,沉积岩占比高达 75%7.人类社会发展与沉积岩的开采与使用密不可分,从传统农耕文明到工业时代,人类社会对石灰岩、砂岩、页
13、岩等沉积岩的开发与依赖程度逐渐增加.与此同时,人为排放也造成了地表环境中沉积岩的污染,沉积岩成为了人类与自然环境相互作用与牵制的热点区域8-10.前期的研究在沿海和岛屿的沙滩上发现了塑料与岩石的结合物11-13;在 2022 年 7 月,笔者首次在陆地生态系统中发现了塑料与岩石的结合物,并首次证实塑料与岩石矿物质发生了化学成键作用14.根据上述相关的科学证据,笔者在此提出并定义一种新的沉积岩类型塑岩(plastistone).塑岩是塑料与碎屑物质胶结形成的沉积岩;在塑岩中,肉眼可见的塑料与沉积岩原始物质成分在地壳表层的条件下,经熔化-凝固、蒸发、吸附等物理、化学过程,发生了不可逆的结合.需要指
14、出的是,在英文语境下前人针对此类塑料岩石结合物存在多种表述,如“plasticrust”13、“anthropoquinas”8、“plastiglomerate”15、“plastitar”16、“plastistone”17等;考虑到其他类型沉积岩英文表述的习惯用法7,笔者采用“plastistone”概括这一新的沉积岩类型.在这一新的沉积岩类型中,人类社会制造的塑料与岩石发生了结合作用,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.笔者在陆地生态系统中关于塑岩的发现被 Nature 期刊于 2023 年 4 月以“Plastic Waste Found Chemicall
15、yBonded to Rocks in China”(在中国发现与岩石发生化学结合的塑料)为题进行专题报道,该文指出,塑岩的发现是“人类世”从一个抽象概念映射到现实世界地质记录的标志(Brings the Anthropocene home tothe present it helps make the Anthropocenetangible)18.塑岩的形成,表明人类活动可作为一种新的地质营力,产生区别于传统自然界的风化、剥蚀等作用之外,是一种有效的外动力地质作用(exogenicgeological process)19-20.本研究在梳理前人关于塑料与岩石结合物相关报道的基础上,正式提
16、出了塑岩的定义,梳理了塑岩的全球分布与潜在成因,并基于内陆地区塑岩在我国的首次发现,进一步探究了塑岩在干湿循环情形下微塑料的释放与粒径分布特征,以对这一沉积岩的潜在生态风险进行更加深入的探究.1 塑岩分布特征与成因根据笔者对塑岩的定义,其形成过程涉及塑料与地表出露的成土母质或海滩沙粒、礁石等发生的物理或化学作用.塑岩在全球 5 大洲 11 个国家被发现报道,其成因主要分为如下几类(见表 1).表 1 全球塑岩分布与成因Table 1 Global presence of plastistones and mechanisms for their formation分布地区与塑岩结合的塑料类型塑
17、料潜在来源塑岩成因数据来源巴西南里奥格兰德海滩海洋垃圾冲刷文献8美国夏威夷海滩海洋垃圾冲刷篝火燃烧文献11秘鲁利马海滩HDPE、PP城市生活垃圾垃圾燃烧文献12中国广西壮族自治区LDPE、PP农膜与塑料袋使用化学成键文献14西班牙加纳利群岛海滩PP、PE海洋垃圾冲刷混有塑料的石油粘附在礁石后部分蒸发文献16巴西特林达迪岛海滩PE海洋垃圾冲刷篝火燃烧文献17孟加拉国考克斯巴扎尔海滩HDPE、LDPE、PP、PET城市生活垃圾垃圾燃烧文献21意大利吉廖岛海滩PE海洋垃圾冲刷海浪拍打后物理结合文献22葡萄牙马德拉岛海滩HDPE、PP海洋垃圾冲刷海浪拍打后物理结合文献23日本山口市海滩PE、PP城市生
18、活垃圾篝火燃烧文献24印度安达曼群岛海滩PE、PVC海洋垃圾冲刷篝火燃烧文献25英国惠特桑德湾海滩海洋垃圾冲刷篝火燃烧文献261458环境科学研究第 36 卷篝火与垃圾燃烧是已有报道中塑岩形成的重要原因.这种塑岩通常发现于旅游胜地或人口密集的城市海滩,如美国夏威夷海滩、秘鲁利马海滩、日本山口市海滩等.此类塑岩皆是在高温燃烧作用下,塑料发生熔化并在凝固后与礁石或海滩沙粒发生融合形成的.这一类塑岩通常还包裹有未燃尽的木屑、绳索等杂物15.塑料碎片多是随海浪冲刷堆积在海滩,并在篝火燃烧过程中变成此类塑岩;此外,在海滩上直接开展非法的垃圾露天焚烧,也是此类塑岩形成的重要过程.例如,在孟加拉国海滩发现的
19、塑岩,其成因是塑料垃圾在焚烧过程中和砂粒等无机颗粒发生了融合21.需要指出的是,这一塑岩的形成过程与沉积岩的自然成岩过程具有本质差异.在燃烧作用下,塑料颗粒在很短时间内即可与岩石发生不可逆的结合.海浪拍打后物理结合是塑岩形成的另一原因.这种塑岩通常发现于远离人类活动的偏远海岛,如意大利吉廖岛海滩、西班牙马德拉岛海滩.在海浪的作用下,海洋塑料碎片拍打在海滩礁石上并通过物理作用结合.除此之外,研究发现物理贴合的塑料可在太阳光照射下发生部分融化,更加紧密地固结在深色礁石上23.这一塑岩的形成过程受人为扰动小,有研究提出假设,塑料物理贴合在岩石表面后,可以通过碳酸钙等无机颗粒作为胶结体,发生类似于其他
20、沉积岩的胶结成岩作用8.后续研究需要针对偏远地区发现的自然成因塑岩开展更加深入的研究,以加深对其形成过程的相关认识.根据“相似相溶”原理,当海洋表面存在溢油时,海洋塑料倾向富集于油层而非水层27.当海洋中含有塑料碎片的溢油扩散并粘附于海滩礁石上后,其在光照下发生部分蒸发,形成一层黑色的覆盖物,这种覆盖物是塑岩的另一形成机制16.这一蒸发的机制与典型沉积岩类型蒸发岩(evaporite)存在一定相似之处.蒸发岩是含盐度较高的溶液或卤水,通过蒸发作用发生化学沉淀而形成的岩石,在自然界中普遍存在28.与之相比,尽管此类塑岩与蒸发岩都是蒸发作用产生的,但这一类型的塑岩形成具有一定的偶然性,其产生是海洋
21、溢油事故造成的结果.近期(2023 年 4 月)的研究在我国内陆地区首次报道了以石英为主的土壤成土母质通过化学配位作用成键结合的塑岩14.笔者在沿位于我国广西壮族自治区境内的一条小溪附近开展土壤采样时,偶然发现了 4 块塑岩,其塑料组成有三块为低密度聚乙烯(LDPE),一块为聚丙烯(PP).历史上的洪水携带上游塑料冲刷、撞击多棱角的岩石,是塑岩形成的前提条件14.此外,当地环境偏僻、人类扰动较小时,塑料得以在光照作用下发生氧化并与岩石发生长期的相互作用.结合塑料厚度、氧化程度与当地土地利用类型推测,LDPE 与 PP 分别来源于上游地区农膜投加与一次性塑料袋使用18.排除人为燃烧因素,此类塑岩
22、的成因与海浪拍打后形成的塑岩较为类似.X-射线衍射结果发现,石英和碳酸钙可能在成岩过程中起到了关键的胶结作用14.作为人类活动与自然地质过程交互的产物,塑岩在地球关键带(Earths Critical Zone)中29-30,与不同圈层发生复杂的相互作用,是人类活动影响地质循环过程的直接证据.这一新的沉积岩类型来源于人类圈的活动,并在篝火、冲刷等作用下直接进入岩石圈长期保存(见图 1).在进一步的风化作用下,塑岩自身粘附的塑料可产生微塑料,在流水作用下进入周边环境介质(如土壤),并在水生动物、植物体内积累,进入生物圈,随着食物链最终返回人类圈,威胁人体健康(见图 1).进一步研究塑岩的环境归趋
23、,是对其生态风险进行有效管控的关键.日常生活(塑料包装等)农业活动(地膜施用等)航海活动(缆绳使用等)人类圈生物圈土壤圈风化岩石圈沉积胶结来源归趋归趋食物链塑岩水圈微纳米塑料污染群落结构扰动生物积累图 1 塑岩与地球关键带圈层的相互作用关系Fig.1 Interaction of plastistone with spheres in theEarths Critical Zone 2 材料与方法 2.1 塑岩样品采集与处理塑岩样品于 2022 年 7 月采集于我国西南地区某小溪旁(发现地坐标为 245048N、1073725E),该区域属于亚热带季风气候,年均降雨量为 1 497.7 mm.
24、在小溪旁共采集得到 4 块塑岩,对其形貌进行拍摄记录,并将其装入铝盒运至实验室开展后续分析.将塑第 8 期王刘炜等:塑岩:成因、分布与微塑料释放特征1459岩结合的塑料用不锈钢镊子小心剥离,用质量分数为 2%的十二烷基硫酸钠(SDS)润洗以去除表面附着的微生物31,随后用超纯水(电阻率 18 Mcm)润洗 3 次,置于室温下风干,进行后续实验.2.2 塑岩表征与分析使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)(Nicolet iS50 型,赛默飞世尔科技公司,美国)分析塑岩所结合的塑料的聚合物类型,扫描范围为 4 000400 cm1,分辨率为 4 cm1,确定出 3 块塑岩结合的塑料为低密度聚乙烯(L
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