《Journal of Hazardous Materials Advances》：Microplastics as a novel carbon reservoir in surface water within a large estuary of Sundarbans mangrove
编辑推荐：
本研究针对微塑料(MPs)污染对红树林这一关键蓝色碳汇生态系统的潜在影响，以孙德尔本斯Mooriganga河口为研究对象，开展了为期一年的高频监测。研究人员系统评估了表层水中MPs的丰度、形态、聚合物组成及其季节性动态，并首次量化了微塑料颗粒有机碳(pPOC)的贡献。结果表明，MPs丰度呈现显著的季节性变化，季风期显著升高，且与降雨量正相关；MPs表面存在显著风化和生物膜形成，表明其可能作为新型碳库(pDOC和pBOC)干扰区域碳循环。该研究为理解MPs污染对红树林碳动态的影响提供了关键数据，对评估MPs在沿海碳预算中的作用具有重要意义。
在当今被称为“人类世”的地质年代里，塑料污染已成为最紧迫的环境问题之一。全球至今已产生约70亿吨塑料废物，其中仅有少量被回收或焚烧，大部分最终堆积在自然生态系统中。这些塑料在环境中会逐渐破碎，形成微塑料（MPs，尺寸<5毫米）甚至更小的纳米塑料，它们可能存续数十年至数百年，对生态系统构成长期威胁。海洋环境是全球塑料碎片的最终汇集地，而沿海区域，特别是像红树林和海草床这样的“蓝色碳”生态系统，由于靠近陆地和海洋污染源，变得尤为脆弱。红树林因其极高的碳封存潜力而在气候减缓中扮演着关键角色，但微塑料污染不仅可能通过物理覆盖和生物摄入带来风险，还可能干扰其碳循环过程。
位于恒河、布拉马普特拉河和梅格纳河交汇处的孙德尔本斯红树林，是世界上最易受塑料废物影响的生态系统之一。这些河流每年向孟加拉湾输送约7.2万吨塑料，使其成为塑料污染的热点区域。尽管近年来已有研究开始记录孙德尔本斯沉积物和生物体中的微塑料污染，但在表层水体中的微塑料、其时间变化模式、聚合物组成以及对整体碳循环的潜在贡献方面，仍存在显著的知识空白。因此，追踪微塑料在像孙德尔本斯这样受主要河流淡水流量和沿海水体共同塑造的动态红树林生态系统中的动态，显得至关重要。
在此背景下，由Nirupama Saini、Anwesha Ghosh和Punyasloke Bhadury组成的研究团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》上发表了他们的研究成果。为了填补上述知识空白，研究团队提出假设：印度孙德尔本斯的微塑料丰度可能表现出显著的季节性变化，并且其聚合物组成中的碳可能对局部有机碳库产生可测量的贡献。本研究旨在：（i）利用为期一年的双月数据集，评估表层水中微塑料的季节性动态及其与悬浮颗粒物（SPM）和降雨量的关系；（ii）阐明微塑料的物理化学和形态特征，以推断其潜在来源和环境暴露条件；（iii）量化与微塑料相关的颗粒有机碳，以评估其作为外来输入对天然颗粒有机碳（POC）库的贡献。
为开展此项研究，研究人员在位于孙德尔本斯生物观测站时间序列（SBOTS）的三个站点进行了为期一年（2021年10月至2022年10月）的双月采样。研究采用了严格的质量控制措施，包括使用程序空白样和计算检测限（LoD），以最大限度减少背景污染。微塑料的提取采用了改进的美国国家海洋和大气管理局（NOAA）方案，涉及过筛、湿式过氧化物消化（使用芬顿试剂）和密度分离等步骤。通过体视显微镜进行微塑料的计数和物理表征（如形状、颜色、尺寸），并利用ImageJ软件进行尺寸测量。化学表征是关键环节，研究人员使用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和显微拉曼光谱（Micro-Raman）对超过500微米的微塑料颗粒进行了聚合物类型鉴定，并与Open Specy光谱库进行比对。此外，还利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察了微塑料的表面形貌、风化程度和微生物定植（即塑料圈，plastisphere）情况。微塑料碳（即塑料颗粒有机碳，pPOC）的含量是通过计算每个微塑料颗粒的体积、密度，并结合特定聚合物类型的碳含量百分比来估算的。同时，研究人员还分析了悬浮颗粒物（SPM）的浓度，并收集了降雨量和胡格利河流量数据。最后，运用了单因素方差分析（One-way ANOVA）、Tukey HSD事后检验、主成分分析（PCA）和线性回归等统计方法对数据进行了深入分析。
结果
程序空白评估
程序空白分析显示，平均污染水平仅为1 ± 1.23 MPs/L，主要为微塑料纤维。所有报告的微塑料丰度均已扣除空白值。检测限（LoD）确定为3.69 MPs/L。
微塑料丰度与物理特征
表层水中的微塑料丰度范围在4.66至58.33 MPs/L之间。在鉴别的4038个微塑料中，纤维占比最高（53.2%），其次是碎片（44.75%），泡沫和微珠合计占2%。尺寸分布显示，41.6%的微塑料在300–1000微米之间。约64%的微塑料为无色。
微塑料丰度和组成的时空变异性
微塑料丰度表现出强烈的季节性变化，季风季节的丰度是季风前和季风后的1.45倍和1.32倍，且差异具有统计学意义。空间上，位于Mooriganga河口的Stn3站点的微塑料总数最高，但站点间的差异不显著。值得注意的是，在季风季节，碎片（52.4%）的数量超过了纤维（46.5%），这与季风前和季风后纤维占主导的情况相反。无色碎片在季风期显著增加。主成分分析（PCA）结果显示，基于类型、颜色、尺寸和聚合物组成的微塑料特征在不同季节呈现出不同的聚类模式，反映了其来源和输运途径的差异。
化学组成
ATR-FTIR分析了543个微塑料，鉴定出12种聚合物类型。聚丙烯（PP）最为普遍（35.7%），其次是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，19.7%）、聚乙烯（PE，11.4%）和乙烯-丙烯共聚物（EP，10.13%）。纤维主要由PET、PP和再生纤维素纤维（Rayon）组成，而碎片则以PP为主。聚合物组成也呈现季节性趋势，季风期PP占比最高，而季风后PET更为普遍。
形态特征
FESEM成像揭示了微塑料碎片表面存在广泛的风化迹象，如粗糙度、裂纹和点蚀，表明其经历了高级降解。同时，图像也清晰地显示了微生物群落（生物膜）在微塑料表面的定植，证实了“塑料圈”的存在。
微塑料碳含量
对三个代表性月份（季风后、季风前、季风期）的微塑料碳含量估算显示，微塑料质量浓度范围在3.34至416.33 μg/L之间（平均41.65 ± 72.21 μg/L）。碳含量在1.54至350.8 μg/L之间变化。在Stn1站点，季风期的微塑料碳含量比季风前和季风后分别高出约11倍和9倍，显示出显著的季节性富集。
与SPM的关系
SPM浓度范围在24.53至888.4 mg/L之间。然而，无论是在整体还是分季节分析中，SPM与微塑料丰度之间均未发现显著相关性。
降雨和河流流量的影响
月平均微塑料丰度与降雨量和胡格利河流量数据的比较表明，河流流量对微塑料水平的影响不明显，但降雨量，特别是季风期的降雨，与微塑料丰度呈正相关，表明地表径流是微塑料输入河口的重要途径。
讨论与结论
本研究提供了印度孙德尔本斯红树林地区表层水中微塑料污染的首次长期、高分辨率数据集。观测到的微塑料丰度（4.66–58.33 MPs/L）在与全球其他河口系统比较时处于较高水平，这反映了孙德尔本斯作为塑料污染热点区域的特征，并与其所处的地理位置（接收大量淡水排放和人为输入）、水动力条件（潮汐泵送）以及红树林植被通过其根系网络捕获悬浮颗粒（包括微塑料）的能力密切相关。
季节性分析表明，降雨是驱动微塑料动态的关键因素。季风期微塑料丰度显著增加，且碎片比例超过纤维，无色碎片显著增多，这强烈暗示了地表径流将老化、风化严重的次级微塑料从陆地重新悬浮并输入河口。微塑料的形态和聚合物组成揭示了其多样化的来源，包括纺织品（PET、Rayon纤维）、渔业（PP、PA）以及可能来自船舶的油漆和玻璃钢（PVC、聚酯树脂）。主成分分析进一步支持了这些来源的差异性。
本研究最重要的发现之一在于量化了微塑料作为新型碳库的潜力。估算的平均微塑料碳（pPOC）浓度（41.63 ± 72.22 μg/L）约占邻近胡格利河区域测量的河口POC的0.83–1.4%。尽管当前贡献比例较小，但考虑到微塑料的持续输入和环境持久性，其长期累积效应不容忽视。更重要的是，FESEM观察到的微塑料表面严重风化和广泛的生物膜形成表明，这些颗粒不仅是污染物，还是潜在的塑料衍生溶解有机碳（pDOC）和塑料生物源有机碳（pBOC）的来源。风化的微塑料更易淋溶出可被微生物快速利用的DOC，而附着其上的“塑料圈”微生物群落则引入了额外的生物碳库，这些过程可能改变河口微生物动态和碳循环路径。
综上所述，该研究通过详实的年度观测数据，揭示了孙德尔本斯红树林河口表层水微塑料污染具有显著的时空变异性和复杂的来源特征，并首次量化了微塑料碳对该生态系统碳库的贡献。研究结果强调，在评估像孙德尔本斯这样的重要蓝色碳汇生态系统的碳预算和生物地球化学功能时，必须将微塑料衍生的碳纳入考量框架。未来的研究需要进一步定量评估微塑料对pDOC和pBOC的实际贡献率及其对区域乃至全球沿海碳循环的长期影响。
