【摘要】 湖南师范大学吕凡团队通过¹⁴C定年、FT-IR、PY-GC/MS等技术，揭示填埋场塑料碎片化规律：PET降解最快，50%塑料碳将在80-208年内进入碳循环，纳米塑料迁移风险需重点关注。研究发表于IF=14.3期刊。

 

题目：

How soon will landfilled plastics integrate into the geological carbon cycle?

填埋塑料多久会融入地质碳循环？

期刊名称：

Environmental Science and Ecotechnology

影响因子：IF=14.3

测试项目：

微塑料（FT-IR、PY-GCMS）、碳14定年、XPS、SEM等

通讯作者：

湖南师范大学环境科学与工程学院 吕凡

 

摘要

本研究聚焦于填埋场废弃物中塑料的分解与迁移过程，背景在于约一半塑料废弃物最终进入填埋场，其碎片化导致微塑料、纳米塑料及石化碳泄漏，影响生态系统。研究团队通过在中国东部一座封闭卫生填埋场采集不同深度样品，利用分级筛选和核心钻取等方法，系统分析了宏观塑料（MaPs）、微塑料（MPs）、精细微塑料（FMPs）和纳米塑料（NPs）的分布及演变。基于72组不同粒径聚合物数据，建立了零级及一级动力学塑料演化模型，并结合放射性碳（¹⁴C）示踪，揭示塑料碳重新进入碳循环的时间表。结果显示，塑料分布受填埋深度影响大于年代，PET碎裂速率高于PE和PP；模型预测所有塑料将在填埋场封闭后410-680年内碎片化为小于100 μm颗粒，约80-208年内有50%塑料碳可重新进入碳循环。该研究为塑料污染环境归趋提供了定量预判，强调了填埋场长期管理和微纳塑料环境风险防控的重要性。

 

创新点

 

首次系统揭示垃圾填埋场中纳米塑料（NPs）存在及其粒径分布规律

首次在中国东部实际封闭填埋场中量化了NPs，填补了以往仅关注较大粒径塑料的研究空白。

 

建立了嵌入零级与一级动力学的塑料演化模型，定量预测塑料碎片化与碳归趋时间表

作者基于实际填埋场72组多粒径、多聚合物数据，提出了塑料碎片化的演化动力学模型，创新性地模拟了不同粒径塑料随时间的转化路径，并量化了塑料碳进入全球碳循环的过程。

 

应用14C放射性碳测定及2D-FTIR-COS光谱，揭示塑料老化分子机制与碳源归属

研究通过14C AMS技术测定不同粒径塑料的化石碳比例，并结合二维相关红外光谱（2D-FTIR-COS）分析，创新性揭示了填埋环境下塑料表面官能团的同步/异步变化规律，实现了塑料老化分子机制与其碳源追踪的有机结合。

 

研究结果

一、  图1综合展示了城市填埋垃圾中不同粒径塑料的生成速率、浓度分布及随深度变化的聚合物组成。

  • Fig.1a：上层垃圾中的MP浓度较高，说明塑料在填埋初期易碎裂为微塑料。

  • Fig.1b：粒径小于100 μm的塑料在填埋过程中持续生成，数量不可忽视。

  • Fig.1c：纳米塑料的生成速率虽然数值较低，但随着填埋深度增加也有增长趋势，反映出塑料在填埋环境中持续降解至更小粒径。

  • Fig.1d： PS主要分布在MP和FMP中，而PMMA在所有粒径中的含量都很低。随着粒径减小，PET和PVC的比例明显上升，说明这两种聚合物在填埋环境下更易降解并生成更小粒径的FMP甚至NP。

Fig.1：a-c，填埋场不同深度微塑料（MP，a）、细微塑料（FMP，b）和纳米塑料（NP，c）的生成速率与浓度；d，不同粒径塑料的聚合物类型比例

 

二、随着填埋时间的延长，微塑料（MPs）表面变得更加粗糙，碎片和孔洞数量增加，FTIR分析揭示了塑料表面官能团的变化，反映出聚合物在填埋过程中的老化和降解过程。

  • Fig.2a~b：微塑料表面的形貌随着填埋时间增加，变得粗糙，出现更多碎片和孔洞。

  • Fig.2c：比较了不同填埋样品与未用塑料制品的表面官能团，揭示了填埋老化过程中塑料结构的变化和新官能团的出现。

  • Fig.2d~e：异步谱图揭示了各功能团在不同填埋样品中的变化顺序，说明塑料老化过程中不同官能团的转化速率和次序存在差异。

Fig.2：扫描电子显微镜图像（a, 顶部；b, 底部）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱（c），以及不同聚合物FTIR光谱的二维相关谱分析（d, 同步；e, 异步）

 

三、填埋深度对微塑料和纳米塑料（MNPs，尤其是FMPs和NPs）的分布影响显著（p <0.01），而填埋年龄在十年尺度上影响不明显（p =0.318）。此外，聚合物类型的分布也因填埋深度而异，部分聚合物（如PMMA）与其他种类区分较为明显，PET和PVC则分布相似。这说明塑料碎裂与迁移主要受深度分层和物理环境影响，而非单纯的时间因素。

Fig.3：不同填埋年限和层位下微塑料(MPs)、细小微塑料(FMPs)和纳米塑料(NPs)分布格局的非度量多维尺度排序图

 

四、随着填埋时间的延长，废弃塑料在填埋场内经历持续的碎片化，粒径逐步减小，宏观塑料逐渐减少，微塑料、细微塑料和纳米塑料比例持续上升。各粒径组的峰值出现时间与碎片化速度相关，最终纳米塑料成为主导组分。

Fig.4：填埋场中宏观塑料、微塑料、细微塑料和纳米塑料的预测演化

 

五、填埋场中塑料碳主要以不可移动形式存在，但微塑料及更小颗粒（MNPs）具有高迁移性，能通过各种途径进入环境。塑料碳在填埋过程中的粒径逐渐减小，迁移能力增强，最终有相当比例的塑料碳可进入碳循环，对环境构成潜在风险。

  • Fig.5a：塑料碳在小粒径垃圾中占据化石碳的主导地位，最高可达化石碳含量的91%，且主要分布于顶部填埋层，这反映了塑料使用量的逐年增加及其在填埋场中的积累。

  • Fig.5b：展示了宏观塑料（MaPs）、微塑料（MPs）、细微塑料（FMPs）、纳米塑料（NPs）在填埋场内的演化及其向环境迁移的途径，包括降雨、径流、风、生物摄食和填埋开采等机制。

  • Fig.5c：根据零级动力学模型，随着时间推移，填埋场内可迁移的微纳塑料碳比例逐年上升，预计在87-146年间，约50%的塑料碳将具备进入碳循环的潜力。

  • Fig.5d：与IPCC默认值相比，AMS测试值预测塑料碳向微纳颗粒转化所需时间更长，但趋势一致，均显示随着填埋时间的增加，塑料碳迁移性增强，对环境风险加剧。

Fig.5：填埋场塑料碳组成与迁移：比例、迁移示意与演化预测

 

研究结论

本研究通过提出嵌入零阶和一级动力学的新塑料演化模型，系统分析了填埋垃圾中不同粒径塑料（MaPs、MPs、FMPs、NPs）的分布、组分及随深度和填埋年代的演变特征，填埋场垃圾中的塑料随粒径减小，聚合物组成发生显著变化，PET和PVC更易碎裂，为纳米级塑料揭示了塑料碳向全球碳循环迁移的机制及其环境影响，填补了塑料长期碎片化和碳迁移定量认知的研究空白，并为填埋场塑料管理及碳汇评估提供了理论基础与方法创新。

 

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