郑州市灰尘中微塑料的时空分布：对其发生特征、物理化学性质及生态风险的探讨

《Atmospheric Pollution Research》：Spatial-Temporal Distribution of Microplastics in Dust of Zhengzhou: Insights into Occurrence Characteristics, Physicochemical Properties and Ecological Risks

本研究在郑州四个功能区采集冬季灰尘样本，通过光学显微镜和拉曼光谱分析发现，2024年微塑料（MPs）含量较2023年显著增加（567.8→791.7 items/kg），主要成分为PP（42%）和PET（31%），纤维占比超70%，红色为主（33%）。空间上住宅区MP浓度最高，商业次之，教育区与公园最低。污染负荷指数（PLI）显示轻微污染，潜在生态风险指数（PERI）2024年升高，风险显著（尤其是住宅和商业区）。研究揭示了MPs在城市环境中的空间异质性和时间动态，为针对性治理提供依据。

　　

张俊梅|魏宇航|窦彦彦|杨书申|杨凌霄

中原理工大学能源与环境学院，中国郑州450007

摘要

城市灰尘是空气中微塑料（MPs）的重要吸收体，但居民接触灰尘中的微塑料的情况仍知之甚少。本研究分析了2023年和2024年冬季在四个功能区（教育区、居住区、商业区和公园区）收集的灰尘样本，通过光学显微镜和拉曼光谱技术揭示了微塑料的时空分布特征及其生态风险。一年内，微塑料的数量从568 ± 84个/千克增加到792 ± 116个/千克。聚丙烯（PP，42%）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，31%）是主要的聚合物类型。纤维占微塑料总量的70%以上，其中超过一半的微塑料直径小于500微米。彩色微塑料占样本的约70%，其中红色最为常见（约33%）。从空间分布来看，居住区的微塑料含量最高，其次是商业区、教育区和公园区。四个功能区在微塑料的颜色、形状、大小和聚合物组成方面存在显著差异。2023年和2024年的城市污染负荷指数（PLI）表明污染较轻，而潜在生态风险指数（PERI）在2023年显示为较低风险水平，在2024年则显示为高风险水平。值得注意的是，居住区和商业区的生态风险尤为突出。这些发现强调了在快速城市化地区进行特定土地利用的微塑料监测和有针对性的塑料废物管理策略的必要性。

引言

到2025年，全球塑料废物量将达到110亿吨，这主要是由于消费量的增加、废物处理不当以及塑料产品的不可生物降解性（Brahney等人，2021年；Rodrigues等人，2018年；Serranti等人，2018年）。在物理、化学和生物过程的影响下，包括机械磨损、紫外线辐射和微生物降解，塑料废物逐渐分解成微塑料（MPs）。微塑料被定义为直径小于5毫米的塑料颗粒（Chen等人，2020年；Thompson等人，2004年）。微塑料在水生、陆地和大气环境中普遍存在，甚至存在于人类饮用的水和食品中（Mohamed Nor等人，2021年）。由于其高比表面积和强吸附能力，微塑料可以积累有毒化学物质，如持久性有机污染物和重金属（Wang等人，2020年）。因此，微塑料可能对人类健康、全球气候系统和生态系统构成潜在威胁（Dong等人，2021年）。特别是大气中的微塑料可能被吸入呼吸道，导致肺部疾病（Fang等人，2022年；Gasperi等人，2018年）。通过血液系统传播后，微塑料可能进一步影响多个器官，引发免疫、神经和生殖系统疾病（Leslie等人，2022年）。

尽管关于微塑料的研究主要集中在海洋环境（Janakiram等人，2023年；Wang等人，2021年）和土壤系统（He等人，2018年；Ren等人，2021年），但对大气中微塑料的研究仍然非常有限，仅占所有相关研究的0.76%（Alfonso等人，2020年）。尽管研究较少，但由于人类直接且持续暴露于大气中的微塑料，这一问题尤为严重（Alfonso等人，2020年；Can-Güven，2021年）。关于大气中微塑料的开创性研究由Dris等人（2016年）在巴黎进行。随后，欧洲、亚洲和北美也出现了多项相关研究。这些研究表明，大气中的微塑料污染普遍存在，无论是在城市、郊区、农村，还是看似原始的环境中，如开阔海域和偏远山区。这种广泛的分布归因于风和空气湍流对微塑料的长期悬浮和远距离传输。值得注意的是，在所有研究的环境中，城市地区的微塑料浓度始终最高。灰尘是大气中微塑料的主要载体、吸收体和储存库。最终，与灰尘相关的微塑料通过地表径流和雨水排水系统进入河流和海洋。因此，灰尘成为将大气中的微塑料转移到陆地和水生环境的关键媒介（García-Haba等人，2023年），从而增加了微塑料污染的复杂性并加剧了控制挑战。因此，研究灰尘中的微塑料特征对于阐明不同环境中的微塑料来源和命运具有重要意义。此外，此类研究可以为特定地区大气中微塑料的流动机制和分布模式提供重要见解。

与水生环境中的微塑料相比，灰尘中的微塑料更难以分离和检测。这一技术障碍导致相关研究较少。迄今为止，现有的研究主要集中在两个关键方面：灰尘中微塑料的健康风险及其分布特征，包括数量、聚合物类型、形状、大小和来源。通常，在人类活动频繁的地区，灰尘中的微塑料含量较高。这些微塑料主要来源于多种人为因素，如车辆轮胎磨损、工业生产、农业活动和日常人类活动。例如，Wang等人（2019年）首次编制了中国大陆的微塑料排放清单，发现轮胎灰尘和合成纤维占比较高。灰尘中的微塑料在形状、聚合物组成和颜色上具有相当大的多样性，这反映了它们多样的来源。灰尘中微塑料的来源和特征与人类活动模式、交通强度和区域经济发展密切相关，不仅在城市之间存在差异，在同一城市的不同功能区之间也存在显著差异。因此，研究不同城市功能区中灰尘中微塑料的空间和时间分布，并从城市空间结构和土地利用模式的角度分析影响因素，对于制定基于证据的微塑料污染监测和缓解策略至关重要。

尽管中国是最大的塑料原材料生产国，但关于灰尘中微塑料的研究在地理上分布不均，主要局限于上海（Liu等人，2019年）、杭州（Li，2021年）、石河子（Mu，2023年）、马鞍山（Song，2021年）和昆明（Yue，2023年）等少数城市。这种不平衡不仅限制了对区域污染模式的系统理解，也凸显了扩大研究范围的必要性。大多数现有的城市微塑料调查仍属于描述性研究，主要关注不同地点的污染水平和基本特征。目前仍缺乏一种基于功能区的分析方法，该方法能够系统地将土地利用模式与微塑料污染状况及相关的生态风险联系起来，并进一步评估这些风险随时间的变化。为填补这一研究空白，我们选择了郑州作为研究对象——这是一个重要的交通枢纽，也是中原城市群的核心城市，具有高人口密度、快速的城市化进程以及密集的工业和交通活动。Song等人（2022年）报告称，郑州城市河流沉积物中的微塑料污染程度介于中等至高水平，表明灰尘中的微塑料污染很可能同样严重。然而，迄今为止尚未有研究在郑州开展过相关研究。本研究系统地调查了郑州四个不同功能区（商业区、教育区、居住区和公园区）在两个连续冬季（2023-2024年）中的灰尘中微塑料情况。具体目标包括：（1）探讨灰尘中微塑料的时空分布特征，包括数量、形态、大小、颜色和聚合物组成；（2）使用污染负荷指数（PLI）和潜在生态风险指数（PERI）评估这些微塑料的潜在生态风险。

研究区域和采样

郑州（东经112.70°–114.23°，北纬34.27°–34.97°）位于中国中东部，是河南省的省会。该市面积超过7500平方公里，人口密度高，总人口超过1300万。由于快速的经济发展，郑州的城市化率为80%，近年来一直面临严重的空气污染（Wang等人，2023年）。采样区域涵盖了郑州的12个行政区/县。

微塑料的数量

2023年和2024年冬季，郑州12个行政区的灰尘中微塑料数量如图2所示。所有样本中都检测到了微塑料，数量范围为每千克181.8至1290个颗粒，2023年的平均数量为567.8个/千克，明显低于2024年的平均值（425至1350个/千克，平均值为791.7个/千克）。年际间的显著增长（39.5%）可能是由于城市化的加剧所致。

结论

本研究系统地调查了郑州两个连续冬季（2023-2024年）灰尘中微塑料的数量、形状、大小、颜色和聚合物类型，全面揭示了它们的时空分布和潜在生态风险。结果显示，微塑料在灰尘中广泛存在，平均数量从2023年的567.8个/千克增加到2024年的791.7个/千克。12个行政区和四个功能区之间的微塑料数量存在显著差异。

作者贡献声明

魏宇航：可视化、项目管理、方法论、调查、数据分析。张俊梅：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、资金获取、数据分析。杨凌霄：数据分析。杨书申：数据分析。窦彦彦：数据分析

未引用参考文献

Liu等人，2019年；Song，2021年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国河南省自然科学基金（编号212300410322）、国家自然科学基金（编号41375145）以及2025年中原理工大学研究团队发展项目（K2025TD005）的支持。作者感谢匿名审稿人的宝贵意见。