清華新聞網(wǎng)4月19日電 自工業(yè)革命以來(lái)，全球人口的快速增長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展對(duì)地球地貌與環(huán)境造成了巨大影響，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地球系統(tǒng)的改變開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的地質(zhì)年代——人類(lèi)世（Anthropocene）。近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院侯德義教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了陸地生態(tài)系統(tǒng)中人類(lèi)世的標(biāo)志物——塑巖，為人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地質(zhì)循環(huán)造成的影響提供了新的直接證據(jù)。
在此次野外考察研究中發(fā)現(xiàn)的塑巖樣品里，低密度聚乙烯塑料與以石英為主要礦物組分的巖石（成土母質(zhì)）發(fā)生了不可逆的化學(xué)結(jié)合作用，致使塑料成為沉積巖地層的一部分，進(jìn)而能夠被長(zhǎng)期保存在地球的地質(zhì)記錄中，成為人類(lèi)世的標(biāo)記。這一新的沉積巖類(lèi)型是人類(lèi)活動(dòng)作為一種新的地質(zhì)營(yíng)力影響地球地質(zhì)周期的直接證據(jù)。該研究結(jié)果發(fā)表后引起學(xué)界普遍關(guān)注?！蹲匀弧罚?em>Nature）期刊發(fā)表專(zhuān)題新聞文章，對(duì)該研究成果進(jìn)行了大篇幅的詳細(xì)報(bào)道（圖1）。曾于2008年首次提出Anthropocene概念的英國(guó)著名地質(zhì)學(xué)家、人類(lèi)世國(guó)際工作組主席揚(yáng)·扎拉西耶維奇（Jan Zalasiewicz）在《自然》的報(bào)道中稱(chēng)贊該研究給人類(lèi)世賦予了更多的現(xiàn)實(shí)意義?！吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》以“科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)塑料巖石”為題進(jìn)行相關(guān)報(bào)道。
圖1.《自然》（Nature）期刊專(zhuān)題新聞報(bào)道
研究團(tuán)隊(duì)在西南地區(qū)開(kāi)展野外工作時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了塑巖，其塑料組成包括低密度聚乙烯（LDPE）和聚丙烯（PP），其粘附的沉積巖的主要礦物成分為石英。結(jié)合塑料厚度、氧化程度與當(dāng)?shù)赝恋乩妙?lèi)型推測(cè)，LDPE與PP分別來(lái)源于農(nóng)膜投加與一次性塑料袋使用。根據(jù)周邊的水文和地質(zhì)、土壤等條件推斷，歷史洪水泛濫，攜帶上游塑料沖刷、撞擊多棱角的巖石，是塑巖形成的前提條件（圖2）。
圖2.塑巖的發(fā)現(xiàn)地
多個(gè)證據(jù)顯示，LDPE塑料與巖石發(fā)生不可逆的化學(xué)結(jié)合：1）SEM-EDS圖譜顯示出代表塑料與巖石的元素發(fā)生交疊；2）XPS Si 2p圖譜出現(xiàn)了Si-O-C化學(xué)鍵的特征峰；3）FTIR圖譜呈現(xiàn)出含有Si-O的吸收峰；4）XRD圖譜出現(xiàn)代表石英的衍射峰（圖3）。針對(duì)PP薄膜，XPS Si 2p圖譜中并未出現(xiàn)產(chǎn)生化學(xué)鍵的證據(jù)，預(yù)示其主要通過(guò)物理作用而不是化學(xué)鍵附著于巖石之上。
圖3.（c）塑巖的形態(tài)學(xué)特征；（d）塑巖XPS Si 2p譜圖；（e）塑巖紅外光譜譜圖；（f）塑巖的XRD譜圖
研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)，探究了塑巖釋放微納米塑料的能力。與利用吹膜法制備的相同厚度塑料薄膜相比，相同循環(huán)次數(shù)下塑巖中的LDPE和PP可釋放更多微塑料顆粒。微塑料的釋放過(guò)程遵從零級(jí)動(dòng)力學(xué)，顯示出持續(xù)的微塑料釋放能力。10次干濕循環(huán)過(guò)程中，LDPE與PP分別可累積釋放1.03×108個(gè)/m2、1.28×108個(gè)/m2微塑料顆粒（圖4），其釋放速率比文獻(xiàn)報(bào)告的垃圾填埋場(chǎng)、海洋環(huán)境下微塑料的釋放速率高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上（圖5）。除此之外，干濕循環(huán)同樣造成了納米塑料的釋放。NTA表征結(jié)果顯示，單次干濕循環(huán)即可從塑巖結(jié)合的LDPE與PP中釋放4.20×1012個(gè)/m2，9.01×1012個(gè)/m2納米塑料顆粒（圖6）。在全球變化的大背景下，洪水泛濫事件造成的干濕循環(huán)頻次增加，這一塑料的賦存形式與其他賦存形式相比，存在較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。這一發(fā)現(xiàn)是塑料這一人造材料進(jìn)入自然界地質(zhì)循環(huán)過(guò)程的直接證據(jù)，闡釋了塑料制品在環(huán)境中一種新的風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制與歸趨。
圖4.干濕循環(huán)情形下微塑料的零級(jí)釋放過(guò)程
圖5.微塑料釋放速率與文獻(xiàn)報(bào)道速率的對(duì)比
圖6.單次干濕循環(huán)產(chǎn)生納米塑料計(jì)數(shù)
4月3日，研究成果以“塑料-巖石復(fù)合體與微塑料的釋放”（Plastic?Rock Complexes as Hotspots for Microplastic Generation）為題在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》（Environmental Science & Technology）并獲選封面文章（front cover）。
環(huán)境學(xué)院2020級(jí)博士研究生王劉煒為論文第一作者，環(huán)境學(xué)院侯德義教授為論文通訊作者，論文共同作者包括挪威海洋研究所的班克（Bank）教授和德國(guó)伍珀塔爾大學(xué)的林克里布（Rinklebe）教授。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c00662
《自然》專(zhuān)題新聞報(bào)道鏈接：
https://www.nature.com/articles/d41586-023-01037-6
供稿：環(huán)境學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
