《Journal of Hazardous Materials Advances》：Non-destructive quantification of microplastics mobility in soil during saturations-desaturations cycles
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为克服微塑料（MPs）在真实多孔介质中传输研究中显微可视化与场域定量化之间的方法学鸿沟，本文研究人员开发了一套集成的、非破坏性微流控成像框架。该框架将高分辨率延时可视化与半自动图像分析相结合，利用四种统计学上不同的微模型，揭示了MPs在饱和度-去饱和度循环中的迁移和滞留行为不仅取决于孔隙度，更受控于孔喉尺寸分布、连通性和毛细管力动力学的综合效应。该工作建立了一个可重复、可扩展的实验-计算框架，为在动态环境条件下预测MPs在土壤和含水层中的归宿提供了机制基础。
塑料污染已成为全球性的环境挑战，其中尺寸微小、肉眼难辨的微塑料（Microplastics, MPs）尤其引人关注。它们广泛存在于包括土壤、海洋、淡水乃至大气在内的各种环境中。陆地土壤被认为是MPs重要的汇，其累积量甚至可能超过海洋系统一个数量级。然而，土壤中的MPs并非静止不动。降雨、蒸发和灌溉等过程会导致土壤含水量动态变化，经历反复的饱和与干燥循环，这极大地影响了MPs在土壤孔隙中的迁移和归宿。它们究竟是被永久固定在土壤中，成为“环境记忆”，还是会重新活化，穿透土壤剖面进入地下水，成为新的污染源？回答这个问题对于评估其生态风险至关重要。
传统的研究方法存在明显的局限。微流控（Microfluidic）系统，即“芯片上的实验室”，能够让我们直观地观察到MPs在微观孔隙中的一举一动，但通常难以对整个研究区域进行精准的量化统计。而传统的柱实验虽然能提供精确的质量平衡数据，却因其不透明性而无法揭示颗粒滞留、释放的具体机制。这种“看得见却数不清”与“数得清却看不见”的矛盾，限制了我们深入理解MPs在真实、动态的地下环境中的行为。
为了破解这一困局，由Sarya Alfarwai、Riyadh I. Al-Raoush、Ahmed Elrahmani、Thomas D. Seers、Jamal A. Hannun、Ali Usman Chaudhry和Harris Sajjad Rabbani组成的研究团队，在《Journal of Hazardous Materials Advances》上发表了一项创新性研究。他们引入了一个集成的、非破坏性的微流控成像框架，旨在弥合可视化与量化之间的鸿沟，为预测MPs在动态环境条件下的命运提供机制性基础。
为了探究孔隙几何结构在MPs动态传输中的决定性作用，研究者巧妙运用了几项关键技术。首先，他们设计了四种统计学上截然不同的微模型（Geo-1至Geo-4），这些模型基于真实沙包的高分辨率X射线显微断层扫描数据，代表了具有内在变异性的多孔介质代表性区域，确保了研究结果能反映真实地质孔隙系统的结构异质性。其次，研究采用了定制的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片，在亲疏水平衡（接触角约90°）的条件下进行实验。实验流程模拟了包气带的干湿循环：先以恒定流速注入15个孔隙体积（PV）的MPs悬浮液（饱和阶段），随后立即以相同流速抽出15 PV流体（去饱和阶段）。最后，也是研究的核心，是高分辨率延时成像与半自动图像分析流程。团队使用高精度显微镜在饱和与去饱和阶段连续采集图像，并通过图像拼接技术重建整个流场。随后，利用基于随机森林（Random Forest）算法的可训练Weka分割（Trainable Weka Segmentation）插件，对图像中的微塑料、水、空气和固体颗粒四个相进行自动分类和量化。这套流程实现了对孔隙尺度过程的直观观察与对全场范围内MPs滞留、释放行为的同步精确量化。
结果部分揭示了孔隙几何结构如何精细调控流体流动与MPs传输。
1. 流动状态表征
研究首先分析了不同孔隙结构中的多相流态。在亲疏水平衡的系统中，水的注入（饱和）和空气的注入（去饱和）本质上都是排驱过程。研究发现，四种几何结构表现出截然不同的流动模式。Geo-1和Geo-2由于孔喉尺寸空间异质性强、孔隙纵横比高，表现出强烈的毛细指进现象，形成了不连续的流动路径和大量孤立的水包。而Geo-3和Geo-4则由于孔喉尺寸分布更均匀、空间相关性更强，形成了更连续、更高效的流动网络。饱和度的定量分析也证实了这一点。基于连通性分析，研究人员将孔隙空间明确划分为三个区域：连续流动路径、孤立水包和空气主导区域。这种划分是理解后续MPs传输行为的关键框架。
2. 孔隙尺度MPs传输行为
MPs的传输行为紧密跟随上述流体流动模式。在Geo-1和Geo-2中，由于流动路径不连续，大量MPs在饱和早期就被困在孤立水包中，在后续的去饱和阶段也难以被释放。相反，在Geo-3和Geo-4中，连续且分布更广的流动网络使得MPs在饱和阶段能更有效地通过系统，并在去饱和阶段有更高的释放潜力。然而，Geo-4由于饱和完成早，MPs在系统中停留时间长，增加了与颗粒表面相互作用的机率，导致部分滞留。对滞留MPs在不同区域的定量分布分析清晰地展示了这些差异o) in each geometry at three key stages of the saturation-desaturation cycle: early saturation, end of saturation, and end of desaturation.">。
结论与讨论
本研究通过一个创新的实验-计算框架，明确了孔隙几何结构是控制微塑料在饱和度动态循环中迁移和归宿的核心机制因素。研究得出的核心结论是：MPs的迁移性不仅仅取决于孔隙率，而是孔喉尺寸分布、网络连通性和毛细管力动力学三者共同作用的结果。
在强异质性、高孔隙纵横比的结构中（如Geo-1和Geo-2），毛细指进占主导，产生大量孤立的流动区域。这些区域成为MPs的“滞留陷阱”，在饱和阶段捕获颗粒，并在去饱和阶段由于空气侵入不稳定、排水效率低而难以将其释放。这类结构的多孔介质更倾向于作为MPs的长期“汇”。而在孔喉尺寸分布更均匀、连通性更好的结构中（如Geo-3和Geo-4），MPs在饱和阶段有更高的流动性和系统可达性。Geo-3的多路径结构在去饱和阶段促进了更均匀的空气侵入和颗粒释放。然而，像Geo-4这样高度均匀的结构，虽然流动高效，但颗粒在系统中的长停留时间也可能通过表面相互作用（如胶体过滤理论所描述的吸附、尺寸排阻等机制）导致显著的滞留。
本研究的意义重大。首先，它成功地将孔隙尺度的机制观察与场域尺度的定量测量相结合，为解决MPs传输研究中的方法学脱节问题提供了可行方案。其次，研究强调了在模拟真实环境条件时，必须考虑孔隙结构的统计学代表性和动态的饱和度变化。最后，研究挑战了单纯依赖孔隙率或球形颗粒模型来预测MPs行为的简单化思路，指出未来风险评估和模型构建必须纳入孔隙几何形态和颗粒形状复杂性这两个关键维度。这项工作建立的框架是可重复和可扩展的，为未来在更广泛的流动条件、化学环境和颗粒属性下，深入研究MPs及其他胶体污染物在复杂多孔介质中的命运奠定了坚实的基础。
