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B. durch UV-Bestrahlung, bewirkt deren Fragmentierung zu MNP.Bioturbation, Bodenbearbeitung oder bevorzugte Strömungspfade verstärken den vertikalen Transport von MNP.ein MNP mit organischen Verunreinigungen steht im Verdacht, diese vertikal in Richtung Grundwasserspiegel zu verlagern.b Wenn sich die Schadstoffe im Gleichgewicht befinden, verstärken MNP die Schadstoffverschiebung nicht;c Wenn der Transport entkoppelt ist, findet während des Transports keine signifikante Desorption von Kontaminanten statt und MNP erleichtern als Vektor ihre Verlagerung.Die Herstellung eines Gleichgewichts von Schadstoffen mit Kunststoffen und allen Bodenphasen ist für kleinere MNP schneller als für größere MNP.MNP kann bis zu mehreren Prozent an absichtlich zugesetzten Stoffen wie funktionellen Additiven und Füllstoffen enthalten.Darüber hinaus können MNP organische Verunreinigungen aufnehmen, bevor sie in Ackerlandböden gelangen, darunter z. B. Arzneimittel, polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) oder Agrochemikalien.Dies macht MNP zu einer potenziellen Quelle für organische Schadstoffe in Ackerlandböden, wo sie schädliche Auswirkungen auf Bodenorganismen und das Mikrobiom haben können12,13.Anders als immobile Schadstoffe, die stark mit der Bodenmatrix interagieren, können mobile Schadstoffe mit dem Porenwasserstrom in tiefere Bodenschichten oder ins Grundwasser getragen werden14.Es werden jedoch immer wieder Bedenken geäußert, dass MNP ein Vektor sind, der die Verlagerung von immobilen organischen Schadstoffen erleichtert und zusätzlich die Grundwasserressourcen gefährdet15,16,17,18.Da Studien fehlen, die diese Frage gründlich untersuchen, sind weitere Untersuchungen erforderlich.Damit der MNP-unterstützte Transport organischer Schadstoffe umweltrelevant ist, müssen vier Bedingungen zutreffen: Partikel müssen in ausreichend hoher Konzentration vorhanden sein, der Schadstoff muss bedenklich sein, Partikel müssen mobiler sein als der (nicht sorbierte) Schadstoff und die Desorption des Schadstoffs während der Laufzeit des MNP muss gering sein19,20,21.Zur Bewertung der MNP-Mobilität im Boden kann vorhandenes Wissen über die Mobilität von natürlichen und technisch hergestellten Nanopartikeln und Kolloiden auf die Mobilität von Nanokunststoffen übertragen werden20, wobei einige Konzepte gleichermaßen auf die Mobilität von Mikrokunststoffen zutreffen22.Die Partikelmobilität im Boden hängt von den Strömungsbedingungen, der Lösungschemie und den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Bodens und des Partikels ab23.Ein maximaler Transport von Nanokunststoffen kann für eine Bindungseffizienz an die Bodenmatrix von null und eine vernachlässigbare physikalische Entfernung durch Sedimentation, Sieben, Abfangen oder Diffusion erwartet werden.Diese Einstellungen können für kurze Reiseentfernungen und Zeitskalen gefunden werden24,25.Partikel mit einer Dichte von 1 g cm−3, was in etwa vielen gängigen Polymeren entspricht, sind bei einem Durchmesser von 1 µm am beweglichsten26.Der Transport größerer Mikrokunststoffe und Fasern ist auf größere Bodenporendurchmesser oder bevorzugte Strömungswege beschränkt, während der Transport von Nanokunststoffen durch Diffusion zur Kollektoroberfläche begrenzt sein könnte27.Wenn die MNP-Partikelkonzentration und -mobilität hoch sind und die potenziell transportierten Schadstoffe von Bedeutung sind, bleibt die Schadstoffdesorptionsrate der entscheidende Parameter, um die Relevanz des MNP-unterstützten Transports zu beurteilen.Die Desorption der Schadstoffe im Bodenmilieu wird ausgelöst, wenn deren Flüchtigkeit in der plastischen Phase höher ist als in den umgebenden Bodenphasen28.Desorptionsraten können durch Intra-Partikel-Diffusion (IPD), dh die Migration der Verunreinigung durch das Partikel, und/oder durch die Diffusion durch die wässrige Grenzschicht (ABLD) zwischen dem Partikel und der umgebenden wässrigen Phase gesteuert werden29.Unter Feldbedingungen ist ABLD normalerweise der geschwindigkeitsbegrenzende Massentransferprozess29,30.Die Damköhler-Zahl, ein nützlicher, aus der Strömungsmechanik abgeleiteter Parameter, beschreibt das Verhältnis zwischen Transport- und Desorptionszeitskalen, um die Relevanz des durch Partikel erleichterten Schadstofftransports zu bewerten21,31.Damköhler-Zahlen < 0,01 weisen auf einen vollständig entkoppelten Transport hin, dh die Schadstoffdesorption während der MNP-Reisezeit ist vernachlässigbar und es wird erwartet, dass MNP den Schadstofftransport erleichtern.Im Gegensatz dazu weisen Damköhler-Zahlen >100 auf vollständige Gleichgewichtsbedingungen hin, bei denen MNP die Schadstoffumlagerung nicht erleichtern wird (Abb. 1)32.Dazwischen sind kinetische Modelle erforderlich, um den MNP-Schadstofftransportprozess vollständig zu beschreiben.Schmalere Schwellenwerte (0,1−10) können für dominant entkoppelte oder Gleichgewichtstransportbedingungen angenommen werden31.Diese Studie identifiziert Umgebungsumgebungen, in denen MNP eine Rolle bei der Verlagerung organischer Schadstoffe in Ackerlandböden spielen können, und zielt darauf ab, Fälle klar zu unterscheiden, in denen MNP nicht zur Schadstoffmobilität beitragen.Wir zeigen, dass Nanokunststoffe in den meisten Fällen nicht zur Schadstoffumlagerung beitragen, da kleinere Partikel aufgrund kurzer Diffusionswege schnell ein Gleichgewicht herstellen.Mikroplastik kann für einige spezifische Szenarien, dh sehr schneller Porenwasserfluss im Boden, hohe MNP-Mobilität und sehr langsame Desorptionsraten, zur Verlagerung von Schadstoffen in Ackerlandböden beitragen.Unsere ersten Berechnungen basieren auf einer durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit des Bodenwassers von 1 ma−1.Wir haben die Prävalenz von entkoppeltem (relevant) oder gleichgewichtigem (irrelevant) MNP-gebundenem Schadstofftransport durch einen homogenen Boden von 1 m Mächtigkeit bestimmt.Der erste Meter Ackerboden bildet die Wurzelzone der am häufigsten angebauten Pflanzen33 und es ist entscheidend zu beurteilen, ob von MNP stammende Verunreinigungen in dieser Bodenschicht verbleiben oder den Grundwasserspiegel erreichen34.Diese obere Bodenschicht wird durch biologische und physikalische Prozesse wie Bioturbation und Bodenbearbeitung35 beeinflusst und ist besonders anfällig für bevorzugte Strömungspfade36.Unsere zweite Reihe von Berechnungen beinhaltet daher das Vorhandensein bevorzugter Strömungspfade mit schnellen Strömungsgeschwindigkeiten von 1 mh−1.Unabhängig von der Fließgeschwindigkeit des Bodenwassers gingen wir von einer sehr hohen Partikelmobilität und keinen Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und der Bodenmatrix aus.Der Einfluss dieser Faktoren wird im Diskussionsteil weiter ausgeführt.Damköhler-Zahlen wurden in Abhängigkeit vom Durchmesser eines kugelförmigen MNP-Partikels und dem scheinbaren Diffusionskoeffizienten einer Verunreinigung durch das Polymer (logDapp) für IPD oder dem Verteilungskoeffizienten einer Verunreinigung zwischen dem MNP-Partikel und Wasser (logKPW) für ABLD berechnet ( Abb. 2a, c).Wir haben dann bewertet, ob die Kombination bestimmter Polymere und Kontaminanten wahrscheinlich den MNP-erleichterten Transport erreichen wird, indem wir verglichen haben, inwieweit die in der Literatur angegebenen logDapp- oder logKPW-Werte (Ergänzungstabellen 1 und 2) den berechneten Werten entsprechen, die für einen entkoppelten Transport erforderlich sind (Abb 2b, d).Da die in der Literatur verfügbaren experimentellen Daten nicht erschöpfend sind, werden Fälle, in denen die logDapp- oder logKPW-Werte die in den Fig. 1–Fig.2 und 3 nicht ausgeschlossen werden.Linien gleicher Damköhler-Zahlen zeigen Gleichgewichtsbedingungen (>10−100) und entkoppelten Transport (<0,1−0,01) in Abhängigkeit von der Partikelgröße (x-Achse) und a logDapp für IPD oder c logKPW für ABLD (y-Achse).b LogDapp30,39,71,72,73,74,75,76,77 und d logKPW30,37,38,39,40,55,59,78,79,80,81,82 für Verunreinigungsgruppen und Polymere, die in berichtet werden Literatur: Polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) (), Pestizide (), Polychlorierte Biphenyle (PCB) (), Zusatzstoffe (▽ ), Arzneimittel () und andere organische Verunreinigungen () in Polymeren wie Polyethylen (PE), Polyamid (PA) , Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polydimethylsiloxan (PDMS) und Reifenmaterialien (TM).Linien gleicher Damköhler-Zahlen zeigen Gleichgewichtsbedingungen (>10−100) und entkoppelten Transport (<0,1−0,01) in Abhängigkeit von der Partikelgröße (x-Achse) und dem logDapp für IPD oder (c) logKPW für ABLD (y-Achse). ).b LogDapp30,39,71,72,73,74,75,76,77 und (d) logKPW30,37,38,39,40,55,59,78,79,80,81,82 für Verunreinigungsgruppen und Polymere in der Literatur berichtet: polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) (), Pestizide (), polychlorierte Biphenyle (PCB) (), Zusatzstoffe (▽ ), Pharmazeutika () und andere organische Verunreinigungen () in Polymeren wie Polyethylen (PE), Polyamid ( PA), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polydimethylsiloxan (PDMS) und Reifenmaterialien (TM).Unsere Bewertung verdeutlicht, dass bei IPD-begrenzter Desorption MNP-Partikel ≥ 1 mm die Schadstoffumlagerung erleichtern können, wenn logDapp-Werte <-17 sind.Da logDapp aller Polymer-Schadstoff-Kombinationen >−16 sind, stellen sich für MNP <100 µm innerhalb einer Transportzeit von einem Jahr Gleichgewichtsbedingungen ein (Abb. 2a, Punkte I und II, Abb. 2b).Hier ist die Schadstoffdesorption zu schnell, um partikelgebundene Transportbedingungen aufrechtzuerhalten.Lediglich für größeres Mikroplastik (100 µm−1 mm) deuten die Berechnungen darauf hin, dass das Gleichgewicht innerhalb der angenommenen Transportzeit möglicherweise nicht erreicht wird.Unter solchen Bedingungen liegt der Transport einiger Schadstoff-Polymer-Kombinationen mit logDapp <−14 bis −16 im kinetischen Bereich, in dem die partikelgebundene Schadstoffverschiebung für kürzere Zeitskalen oder schnelleren Porenwasserfluss relevant sein könnte.Diese Polymer-Schadstoff-Kombinationen umfassen Additive in Polyethylen und Polystyrol sowie PCB in Polyvinylchlorid.Aufgrund des hohen logDapp von eher kautschukähnlichen Polymeren wie Polydimethylsiloxan und Styrol-Butadien-Kautschuk, Hauptbestandteilen von Reifenmaterialien, ist ihre Rolle bei der Verlagerung von Schadstoffen im Boden vernachlässigbar.Für den Fall, dass IPD der geschwindigkeitsbegrenzende Massentransferprozess ist, wird MNP nicht in der Lage sein, die Verlagerung von Schadstoffen über flache Bodenschichten hinaus zu verbessern.Bei einem ABLD-begrenzten Stoffaustausch erleichtern Mikroplastiken < 100 µm den Transport von Schadstoffen mit logKPW < 5,5 nicht, was die meisten Schadstoffe abdeckt (Abb. 2c, Punkt II und Abb. 2d).Der Transport von PAK, PCB und wenigen Pestiziden durch Polyethylen- und Polydimethylsiloxan-Mikroplastik <100 µm liegt im kinetischen bereich, während der transport für keine schadstoffe durch mikroplastik <100 entkoppelt ist.großes> 1 mm erleichtert den Transport von Schadstoffen mit logKPW < 4,5 nicht, was die meisten Schadstoffe abdeckt.Lediglich der Transport stark hydrophober PCB durch größere Polyethylen-Mikroplastik >1 mm mit logKPW >6,5 wird entkoppelt.Wenn ABLD der geschwindigkeitsbestimmende Stofftransportprozess ist, tragen MNP mit wenigen Ausnahmen von Mikroplastik > 100 µm nicht zur Verlagerung von Schadstoffen in Ackerlandböden bei.Schnelle Strömungsbedingungen beeinflussen die Diffusionsrate für IPD-begrenzte Desorption nicht, aber die Damköhler-Zahlen nehmen aufgrund einer kürzeren Transportzeit ab.Selbst unter bevorzugten Strömungsbedingungen erhöhen Nanokunststoffe <1 µm die schadstoffmobilität im boden nicht, da logdapp aller polymer-schadstoff-kombinationen> –16 sind (Abb. 3a, Punkt I und 3b).Mikroplastik < 100 µm erleichtert den Transport von Schadstoffen nicht, wobei logDapp >−12 (Abb. 3a, Punkt II) Schadstoffe in Reifenmaterialien und Polydimethylsiloxan abdeckt.Der Transport von Schadstoffen mit logDapp –15 bis –12 liegt im kinetischen Bereich, einschließlich der Kombination von Polyethylen, Polystyrol und Polyvinylchlorid und den meisten PAK, PCB, Pestiziden und Zusatzstoffen (Abb. 3b).Ein entkoppelter Transport wird nur bei größeren Polyethylen-, Polystyrol- und Polyvinylchlorid-Mikroplastiken >100 µm in Kombination mit PAK, PCB und Additiven beobachtet (logDapp <−13).Im Fall von ABLD als geschwindigkeitsbestimmendem Stofftransport sinken die Damköhler-Zahlen unter schnellen Strömungsbedingungen, was nur geringfügig durch eine schnellere Diffusion ausgeglichen wird.Nanokunststoffe <1 µm können den transport von schadstoffen mit logkpw-werten>7 erleichtern, die bisher nur für PCB berichtet wurden37.Die Mehrzahl der Schadstoffe hat logKPW-Werte <4 und liegt im Bereich des Gleichgewichtstransports für Nanokunststoffe <1 µm (Abb. 3c, Punkt I), was bestätigt, dass Nanokunststoffe mit wenigen Ausnahmen nicht zur Schadstoffverlagerung im Boden beitragen.Mikroplastik kann in ganz bestimmten Fällen die Verlagerung von Schadstoffen im Boden verbessern.Kleineres Mikroplastik < 10 µm erreicht innerhalb einer Stunde ein Gleichgewicht, wenn logKPW < 3,5 ist, was eine Reihe von Schadstoffen wie die meisten Arzneimittel, viele Pestizide, Zusatzstoffe und andere organische Schadstoffe umfasst (Abb. 3d).Größeres Mikroplastik >100 µm kann den Transport von Schadstoffen mit logKPW >4 erleichtern.Allerdings wurden solche logKPW-Werte nur für die hydrophoberen PAK mit einem Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten (logKOW) > 5 wie Pyren, Chrysen oder Benzo[b]fluoranthen sowie für das stark hydrophobe PCB und bestimmte Pestizide berichtet (Abb. 3b, d)38.Zu letzteren gehören hauptsächlich chlororganische Pestizide wie Hexachlorbenzol, DDT und seine Metaboliten, Aldrin, Endrin und trans-Nonachlor30,39,40.Der lineare Zusammenhang zwischen logKPW- und logKOW-Wert und damit Übertragbarkeit beider Konzepte wird an anderer Stelle beschrieben30.Für Mikroplastik >1 mm ist ein entkoppelter Transport für logKPW >3 zu beobachten, der Kombinationen aller Polymere und der meisten Kontaminantengruppen mit Ausnahme der weniger hydrophoben Pharmazeutika abdeckt.Mikroplastik > 10 µm kann unter bevorzugten Strömungsbedingungen bei einigen Polymer-Schadstoff-Kombinationen zu einer Verlagerung von Schadstoffen in tiefere Bodenschichten beitragen.Unsere Analyse zeigt, dass unter bestimmten Bedingungen ein durch MNP erleichterter Schadstofftransport möglich sein kann.Allerdings ist eine umfassendere Bewertung der Modellbeschränkungen erforderlich, um die Anwendbarkeit der Berechnungen unter komplexeren Umgebungsbedingungen abzuschätzen.Das Modell berücksichtigt keine Partikel-Boden-Wechselwirkung und vernachlässigt die biologischen und physikalisch-chemischen Wirkungen, die das Schicksal von MNP in Böden beeinflussen.Es vereinfacht die Polymermorphotypen weiter, dh es werden kugelförmige Partikelformen für die Berechnungen verwendet.Der Einfluss dieser Faktoren auf die präsentierten Ergebnisse wird im folgenden Abschnitt diskutiert.Kurze Transportzeiten und langsame Diffusionsraten können zu einem vollständig entkoppelten Transport (Damköhler-Zahl <0,01) und der Möglichkeit von MNP führen, als Vektor für Kontaminanten zu fungieren;daher müssen Faktoren diskutiert werden, die beide Parameter beeinflussen.Die Fließgeschwindigkeiten des Bodenwassers können drastisch von wenigen cm pro Jahr bis zu mehreren Metern pro Tag variieren41.Bei langsamen Bodenwasserströmungsbedingungen von 1 ma−1 desorbieren organische Verunreinigungen von kleinen Partikeln, bevor sie tiefere Bodenschichten erreichen, was die Relevanz des MNP-unterstützten Transports einschränkt (Abb. 2).Im Gegensatz dazu können sehr schnelle Transportregime Wege für den Transport von MNP-gebundenen Kontaminanten bereitstellen.Zu den prominentesten Beispielen gehören freiliegende zerklüftete Felsen, Karst42 oder Böden, die langer Zugluft ausgesetzt sind, gefolgt von starken Regenereignissen, die zu größeren Transportkanälen und Rissen43 führen können.In solchen Fällen kann MNP innerhalb sehr kurzer Zeitskalen verlagert werden, in denen die Verunreinigungen kaum desorbieren und folglich mit den MNP-Partikeln über längere Entfernungen getragen werden.Systeme mit hohen Infiltrationsraten wie Karstgestein sind jedoch anfällig für mehrere Arten von Verschmutzungen, zu denen der Beitrag des MNP-vermittelten Schadstofftransports eher vernachlässigbar ist.Darüber hinaus ist es weniger wahrscheinlich, dass Böden, die über diesen Systemen liegen, für umfangreiche landwirtschaftliche Aktivitäten verwendet werden.Andere Faktoren, die die MNP-Mobilität beeinflussen, sind die biogene Aktivität von Regenwürmern oder Maulwürfen oder die Bodenbearbeitung von Ackerland, die größere Plastikfragmente in eine Tiefe von etwa 30 bis 50 cm transportieren kann16,44, wo sie mit den Wurzeln und dem Bodenmikrobiom interagieren können35,45.Der Einfluss dieser Faktoren nimmt jedoch mit der Bodentiefe ab35.In unseren Transportszenarien (Abb. 2 und 3) wurde die Partikelanhaftung am Boden vernachlässigt.Dies mag für den schnellen Transport in Rissen oder Bioturbationsstrukturen gelten, aber in den meisten Fällen sind Böden hervorragende Filter mit einem hohen Potenzial, Partikel zurückzuhalten25,26,46,47,48.Während Mikroplastik aufgrund längerer Desorptionszeiten im Vergleich zu Nanoplastik organische Schadstoffe transportieren kann, sind sie nicht so mobil und werden durch natürliche Filtermechanismen im Boden zurückgehalten26.Obwohl Porengrößenausschlusseffekte zu einem scheinbar schnelleren Partikeltransport im Vergleich zu einem löslichen Tracer43 führen können, führen sie zu einer insgesamt höheren Partikelretention im Boden.Da MNP in der natürlichen Umgebung meist unregelmäßige Formen haben, die ihre Mobilität weiter verringern, kann der MNP-Transport unter der Annahme kugelförmiger Partikel überschätzt werden.Kunststofffasern beispielsweise haben ungünstigere hydrodynamische Eigenschaften und unterliegen einer erhöhten Dehnung27.Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) können die Bindungseffizienz von MNP verdreifachen und die Bildung von Heteroaggregaten zwischen MNP, EPS und Bodenmineralien und organischen Stoffen verbessern49,50.Unsere Analyse zeigt, dass bevorzugte Fließwege in Rissen und Makroporen die einzige relevante Bedingung darstellen, bei der MNP ein beitragender Faktor zur Verlagerung von Schadstoffen in Ackerlandböden sein kann20.Selbst unter bevorzugten Strömungsbedingungen, für die wir schnelle Strömungsgeschwindigkeiten von 1 m h−1 angenommen haben, stellen Nanokunststoffe fast aller Schadstoff-Polymer-Kombinationen ein Gleichgewicht ein, bevor sie tiefere Bodenschichten erreichen (Abb. 3).Für Mikroplastik könnte ein entkoppelter Transport für langsame Diffusionsraten möglich sein, die von den Polymer- und Schadstoffeigenschaften abhängen.Unter der Annahme einer IPD-begrenzten Diffusion transportieren glasartige Polymere eher Verunreinigungen (Abb. 3a, b) als eher gummiartige Polymere51.Darüber hinaus kann die UV-induzierte Versprödung von glasähnlichen Polymeren die Porosität des Polymers und damit die Retention von hydrophoben Verunreinigungen verbessern52.Dementsprechend können Polystyrol oder Polyvinylchlorid die Verlagerung von Verunreinigungen in Ackerlandböden erleichtern, was für Silikon- und Reifenmaterialien nicht erwartet wird.Auch Berechnungen, die auf kugelförmigen Partikeln basieren, können den MNP-vermittelten Schadstofftransport unterschätzen.Die Diffusion durch eine Kugel ist schneller als durch einen Würfel, ungeachtet des geringeren Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses, da die Distanz für die Diffusion einer Verunreinigung von der Mitte zum Rand des Würfels größer ist als der Radius einer Kugel53.Andererseits ist IPD für Blätter oder Fasern im Vergleich zu Kugeln schneller, was zu einer Überschätzung des MNP-vermittelten Schadstofftransports führt30.Um Transportprozesse von Partikeln mit anderen Geometrien als Kugeln zu bewerten, müssen Gleichungen zur Berechnung der Diffusionsraten entsprechend der Partikelgeometrie angepasst werden.Insgesamt können glasartige Polymere nur dann zur Verlagerung hydrophober, langsam diffundierender hochmolekularer Schadstoffe (Gl. 2 und 3) in Ackerlandböden beitragen, wenn bevorzugte Strömungswege für den MNP-Transport verfügbar sind, vorausgesetzt, dass der Stofftransport IPD-begrenzt ist .Die Bedeutung von IPD beim Stofftransport von Schadstoffen steigt mit der Partikelgröße und kleineren scheinbaren Diffusionskoeffizienten29,53.Es wird jedoch normalerweise erwartet, dass der Massentransfer von stark hydrophoben Verunreinigungen ABLD-begrenzt ist29.Damköhler-Zahlen zeigten einen entkoppelten Transport hauptsächlich für hydrophobe Verunreinigungen mit logKOW >5 (Abb. 3), wobei die ABLD-begrenzte Desorption der geschwindigkeitsbegrenzende Stofftransportprozess sein wird54.Der ABLD-begrenzte Stofftransport hängt von logKPW (Gl. 4) und damit von der Wechselwirkung zwischen den organischen Verunreinigungen und MNP ab.Hydrophobe Partitionierung ist einer der Antriebsmechanismen für die Sorption55,56,57.Dementsprechend ist ein entkoppelter Transport hauptsächlich für hydrophobe Schadstoffe (logKOW >5) mit langsamer Diffusionsgeschwindigkeit möglich.Die Wechselwirkungen hängen neben den Schadstoffeigenschaften vom Polymertyp ab.Abbildung 3d kann implizieren, dass Polyethylen Verunreinigungen am effizientesten zurückhält, da sich die meisten Sorptionsstudien auf Polyethylen als Sorptionsmittel konzentriert haben, aber einige hydrophobe Verunreinigungen aufgrund der zusätzlichen Bildung von π-π-Elektron-Donor-Akzeptor-Wechselwirkungen zwischen delokalisierten π-Elektronen stärker an Polystyrol sorbieren55 .Auch Reifenmaterialien können hydrophobe Verunreinigungen durch hydrophobe Verteilung auf ihre Hauptbestandteile Styrol-Butadien-Kautschuk und Ruß stark sorbieren58.Die Sorption von weniger hydrophoben und polaren Verunreinigungen an Polyamid kann durch Wasserstoffbrücken verstärkt werden55.Trotz dieser Wechselwirkungen ist der logKPW dieser weniger hydrophoben Kontaminanten zu klein für einen entkoppelten Transport und ihre MNP-unterstützte Relokation59.Daher findet ein entkoppelter Transport nur für hydrophobere Kontaminanten statt, unter der Annahme, dass Mikroplastik entlang bevorzugter Strömungspfade transportiert wird und darin mobil ist.Desorptionsmodelle sagen voraus, dass Umweltfaktoren wie Biofilmbildung die Desorptionszeit einer Verunreinigung aus Polyethylen verdreifachen könnten60.Das Vorhandensein von Biofilm würde jedoch unsere Schlussfolgerungen zur Rolle von MNP als Vektor für Kontaminanten nicht wesentlich ändern, da selbst bei einem Drittel der Desorptionsrate die logKPW-Schwelle für den entkoppelten Transport in derselben Größenordnung bleibt.UV-induzierte Alterung kann sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen wie Carbonyl- und Hydroxylgruppen auf der Polymeroberfläche einführen51, wodurch die Sorption und Retention von polaren Verunreinigungen erhöht, aber die Sorption von hydrophoben Verunreinigungen verringert wird52,61.Für die ABLD-begrenzte Desorption kann UV-induzierte Alterung daher die Relevanz von MNP für den Transport hydrophober Verunreinigungen weiter verringern.Der Schadstofftransport im Boden kann durch bewegliche natürliche Kolloide wie makromolekulare organische Bodensubstanz62, Tonminerale, Niederschläge oder Verwitterungsprodukte43 erleichtert werden.MNP, die Schadstoffe enthalten, bevor sie in den Boden gelangen, können diese auch in tiefere Bodenschichten transportieren.Kommen die Schadstoffe hingegen erst auf den Ackerflächen mit MNP in Kontakt, ist es fraglich, ob MNP aufgrund des Überangebots an beweglichen natürlichen Kolloiden und organischen Stoffen überhaupt von Bedeutung für die Erleichterung des Schadstofftransports sind.In aquatischen Systemen wird ein geringer Anteil (< 1 %) der Schadstoffe aufgrund der geringen Häufigkeit von Kunststoffen im Vergleich zu allen anderen vorhandenen Phasen (Wasser, Luft und organische Stoffe) an Kunststoffe sorbiert.Obwohl die relative Häufigkeit von Kunststoffen im Boden im Vergleich zu aquatischen Systemen unterschiedlich ist, ist sie immer noch zu gering, um wesentlich zur Aufnahme von Schadstoffen im Boden beizutragen63,64.Darüber hinaus ist der Sorptionskoeffizient von organischem Bodenmaterial und Erdreich höher als der der meisten Kunststoffe32,65, was die Aufnahme organischer Schadstoffe durch MNP im Boden und damit ihre Funktion als Vektor für Schadstoffe begrenzt.Da die Aufnahme von Schadstoffen durch MNP vor ihrem Eintrag in Böden langsam ist, was erst zu geringeren Konzentrationen an MNP führt28, spielen der Eintrag und der vertikale Transport von unbeabsichtigt hinzugefügten Stoffen eine untergeordnete Rolle für die Gesamtschadstoffkonzentration.So werden Kunststoffadditive, die bei der Herstellung gezielt in die Kunststoffe eingearbeitet werden, eher in die Böden transportiert und in tiefere Bodenschichten verlagert.Dieser Eintragspfad ist besonders wichtig, da MNP für einige dieser Zusatzstoffe die einzige Quelle für Ackerlandböden sind.Die Verwendung von Kunststoffmulch oder Biofeststoffen bietet landwirtschaftlichen Erzeugern große Vorteile bei ihren Bemühungen, eine wachsende Weltbevölkerung zu erhalten.Um die Auswirkungen landwirtschaftlicher Praktiken auf die Umwelt und die Verbraucher zu minimieren, sollte die vollständige Entfernung von Kunststofffolien nach Gebrauch oder deren Ersatz durch vollständig biologisch abbaubare Materialien befürwortet werden.Die Menge an Kunststoffen, die unbeabsichtigt über Biofeststoffe und Kompost in landwirtschaftliche Böden gelangen, muss reduziert und reguliert werden.Um die Abfallbewirtschaftung zu verbessern und eine nachhaltige, effektive Kreislaufwirtschaft zu fördern, sind eine gute Regierungsführung und gezielte Vorschriften erforderlich2.Gleichzeitig ist ein gründliches Verständnis des Risikos im Zusammenhang mit dem Vorhandensein von MNP in Ackerlandböden von entscheidender Bedeutung, um die Auswirkungen auf die Gesundheit der Verbraucher zu verringern.Es besteht kein Zweifel, dass der Eintrag von Kunststoffen zum Gesamtfluss potenziell schädlicher organischer Schadstoffe in landwirtschaftliche Böden beiträgt.Obwohl MNP, die diese Schadstoffe tragen, durch physikalische und biologische Aktivitäten physikalisch in Oberbodenschichten eingearbeitet werden können, sind die Szenarien, in denen MNP eine relevante Rolle für die Verlagerung von Schadstoffen in tiefere Bodenschichten spielen, sehr begrenzt.Unsere Analyse zeigt, dass die Desorption von Nanokunststoffen für die meisten Polymer-Schadstoff-Kombinationen schnell erfolgt und an Nanokunststoffe gebundene Schadstoffe innerhalb des ersten Meters Boden ein Gleichgewicht mit der Bodenmatrix erreichen.Nur größeres Mikroplastik mit sehr langsamen Schadstoffdesorptionsraten könnte zusätzlich zur Fülle natürlicher mobiler Bodenpartikel zur Verlagerung hydrophober organischer Schadstoffe beitragen, vorausgesetzt, dass schnelle Strömungsregime und bevorzugte Strömungswege vorherrschen und die Mikroplastikpartikel mobil sind.In Ackerlandböden erstrecken sich jedoch nur wenige bevorzugte Fließwege über 1 m in die Tiefe36, und bis Mikroplastik tiefere Bodenschichten erreicht, werden die organischen Schadstoffe desorbiert.Daher wird nicht erwartet, dass MNP die vertikale Mobilität der meisten organischen Schadstoffe in Ackerlandböden in einem Ausmaß erhöhen, das die zugrunde liegenden Grundwasserressourcen gefährdet.Diese Schlussfolgerung betont die Notwendigkeit, weitere Forschungsaktivitäten auf die potenziellen Risiken zu konzentrieren, die mit dem Vorhandensein von MNP-abgeleiteten organischen Verunreinigungen in der Wurzelzone, der Pflanzenaufnahme oder nachteiligen Auswirkungen auf das Bodenmikrobiom verbunden sind.Die Damköhler-Zahl (Da) beschreibt das Verhältnis zwischen der Transportzeit von MNP-Partikeln und der Desorptionszeit der freigesetzten Schadstoffe.Somit kann Da verwendet werden, um den Einfluss der MNP-Partikelmobilität und der Diffusion von unbeabsichtigt hinzugefügten Substanzen und Zusatzstoffen innerhalb dieser Partikel auf den Transport von Schadstoffen im Boden zu bewerten und zu identifizieren, ob ein durch MNP-Partikel erleichterter Schadstofftransport stattfinden kann.Für Da < 0,01 ist der MNP-Schadstofftransport entkoppelt, und es wird erwartet, dass MNP Schadstoffe im Boden verlagern, während Da > 100 auf einen Gleichgewichtstransport hinweist und der durch MNP erleichterte Schadstofftransport vernachlässigt werden kann.Während bei Da = 1 der Schadstofftransport nur durch kinetische Transportmodellierung erklärt werden kann, nimmt die Abweichung vom entkoppelten oder Gleichgewichtstransport in Richtung Da = 0,01 oder 10066 ab. Da die Abweichung von der Gleichgewichtsmodellierung für Da von 0,1 bis 0,01 und von 10 bis 10031 gering ist , Da-Zahlen von 0,1 und 10 werden verwendet, um die Grenzen des kinetischen zum entkoppelten bzw. zum Gleichgewichtstransport zu definieren.Die Damköhler-Zahl (Da) [-] kann ausgedrückt werden alswobei λ [s−1] die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante und τ [s] die mittlere Laufzeit der MNP-Partikel ist53,66,67.Betrachtet man sphärische MNP-Partikel, kann die Diffusionsrate λIPD für IPD-begrenzten Stofftransport beschrieben werden durchwobei Dapp [m² s−1] der scheinbare Diffusionskoeffizient einer Verunreinigung in einem MNP-Partikel und r [m] der Partikelradius ist67.Dapp kann ausgedrückt werden alswobei Deff [m² s−1] der effektive Diffusionskoeffizient einer Verunreinigung in einem MNP-Partikel ist, KPW [L kg−1] der Verteilungskoeffizient einer Verunreinigung zwischen dem MNP-Partikel und Wasser ist und ε [-] und ρ [ kg L−1] sind die Porosität bzw. Dichte des MNP-Partikels.In Anbetracht der begrenzten ABLD-Massenübertragung von Verunreinigungen aus sphärischen MNP-Partikeln ist der von Bold et al.67 beschriebene Ansatz.wurde erweitert und die Diffusionsrate λABLD kann beschrieben werden durch68:wobei Dw [m² s−1] der wässrige Diffusionskoeffizient der Verunreinigung, r [m] der Partikelradius und δ [m] die ABL-Dicke und ρ [kg L−1] die Dichte von Wasser ist.Die ABL-Dicke ist ein experimenteller Parameter und nimmt mit der Turbulenz der Strömung ab30.Um die ABL-Dicke des MNP-Partikels abzuschätzen, wurden die Strömungsverhältnisse im Boden durch Berechnung der Reynolds-Zahl Re (Gl. 5)30 bewertet.mit v = Strömungsgeschwindigkeit [ms−1], dp = Korndurchmesser [m], νaq = kinematische Viskosität von Wasser [m2 s−1].Der wässrige Diffusionskoeffizient Dw [m2 s−1] kann nach Worch (Gl. 6)69 angenähert werden.wobei T [K] die Temperatur, η [gm−1 s−2] die dynamische Viskosität von Wasser und ms [g mol−1] das Molekulargewicht der diffundierenden Verunreinigung ist.Nat.Anal.Eng.Eng.Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt