《Journal of Contaminant Hydrology》：Spatiotemporal dynamics of microplastics in urban stormwater runoff: Functional area effects and transport pathways (Shanghai, China)
编辑推荐：
微塑料污染时空特征及来源解析：基于上海暴雨事件多功能区连续采样，揭示餐饮区为污染热点（TWAC达689.7±214.1 items/L），显著高于住宅区（215.6±38.9 items/L）和停车场（172.8±18.8 items/L），且均远超本地水体背景值。发现短纤维微塑料（<1mm）在暴雨初期（前30分钟）优先迁移，而颗粒状大尺寸微塑料在后期累积，主要成分为PET和PP纤维。
李俊豪|余博文|曹成进|吴柳星|赵亚萍|朱瑞云|胡洋洋|黄敏生|王磊|严新林
华东师范大学生态崇明研究院有机固体废物生物转化上海工程研究中心，生态与环境科学学院，上海200241，中国
摘要
城市雨水径流是微塑料污染的重要途径，但其详细的传输动态仍知之甚少。本研究在中国上海的一次强降雨事件中，采用了事件内时间序列采样方法（在降雨开始后的0、5、15、30、60、120和240分钟进行采样），以调查三个城市功能区域的微塑料浓度和特征。研究结果表明，微塑料污染水平受土地利用类型的影响显著：餐饮区是一个严重的污染热点，其时间加权平均浓度为689.7±214.1个/升，显著高于居民区（215.6±38.9个/升）和停车场（172.8±18.8个/升），且所有浓度都远超过了当地水体的背景值。特别是在餐饮区，观察到明显的首次冲刷效应，峰值浓度在降雨开始后仅5分钟内就达到了。径流中的微塑料主要为小尺寸（<1.0毫米）和纤维状，主要由PET和PP组成。这些小纤维在径流的早期阶段（前30分钟内）被优先带走，而颗粒状和较大尺寸的微塑料则会在后期积累。通过阐明微塑料的传输动态和归趋性，本研究为有针对性的源头控制提供了科学依据，包括优先拦截初始冲刷阶段的微塑料，以及全球大城市的雨水管理。
引言
由于塑料具有轻质、耐腐蚀、可塑性和成本效益等优点，它们在现代社会中变得不可或缺。全球塑料产量从2000年的2.34亿吨激增至2019年的4.6亿吨，预计到2050年还将增加330亿吨（Rochman等人，2013年）。然而，目前的塑料回收效率不足：2015年全球产生的63亿吨塑料废物中，只有不到10%被回收，大部分积聚在自然环境中（Geyer等人，2017年）。这种环境持久性带来了双重威胁：直接污染生态系统，并通过紫外线辐射、物理磨损、化学氧化和微生物降解逐渐分解成微塑料（Enfrin等人，2019年；Thompson等人，2004年）。微塑料具有显著的环境流动性，能够渗透到海洋、淡水、土壤和大气中，其普遍存在已在这些系统中得到充分记录（Auta等人，2017年；Li等人，2018年；Sajjad等人，2022年；Zhang等人，2020年）。它们通过摄入、吸入和皮肤接触可能对人类健康造成严重威胁（Feng等人，2023年）。
综合研究表明，微塑料可以通过受污染的淡水生物、饮用水和食盐进入人体食物链，相关风险包括内分泌紊乱、心血管疾病和炎症反应（Karbalaei等人，2018年）。最近在人体血液、肺组织和骨骼结构中也检测到了微塑料（Guo等人，2024年；Jenner等人，2022年；Leslie等人，2022年）。除了聚合物本身的毒性外，微塑料还作为吸附污染物的载体，包括重金属和抗生素，可能导致复杂的协同毒性效应（Gao等人，2021年；Wang等人，2024年）。微塑料在人体组织和环境中的普遍存在引发了对其慢性毒性和复合污染效应对生态系统和人类健康潜在影响的紧迫关注（Osman等人，2023年）。
工业活动和日常人类活动会产生大量微塑料，这些微塑料可以通过降雨、降雪、重力沉积、风和雨水径流进入水体（Wei等人，2024年；Xu等人，2024年）。关于淡水微塑料的全球研究表明，在某些情况下（如合流制污水溢流和干旱后的首次降雨），降雨驱动的径流可以迅速将积累的微塑料冲入水体，其浓度超过了干期地表水和处理后废水的背景浓度（Talbot和Chang，2022年）。随着城市化进程的推进，不透水表面的增加导致径流量增加，这使得雨水径流中的微塑料污染问题更加突出。尽管人们对径流中微塑料污染的认识日益增加，但研究仍主要集中在河流系统和废水排放上（Koelmans等人，2022年）。
作为人类活动密集的中心，城市的微塑料污染状况更为复杂，受多种人为因素的影响，包括污水处理厂排放、轮胎磨损颗粒、大气沉降和垃圾填埋场泄漏的塑料废物（Kiran等人，2022年）。雨水径流中微塑料浓度的空间异质性主要由土地利用类型和人为活动强度驱动，人口密集的城市区域显示出更高的微塑料含量（Talbot和Chang，2022年）。Sewwandi等人（2024年）进一步指出，这种异质性在不同土地利用模式中表现为不同的微塑料特征：例如，工业区和交通繁忙区域的径流中含有的轮胎磨损相关黑色微塑料浓度较高，而居民区则主要由降雨期间冲入雨水的日常塑料废物碎片构成。除了空间差异外，土地利用还影响了降雨期间微塑料迁移的时间动态。Cho等人（2023年）观察到，工业区和居民区径流中微塑料浓度峰值出现的时间有显著差异，工业区在降雨开始后1小时达到峰值，而居民区则在降雨形成后立即达到峰值。这种变化与土地利用特有的表面粗糙度、坡度梯度和地下性质密切相关，这些因素直接决定了降雨期间微塑料的传输效率。
上海作为中国最大的都市，具有极端的人口密度（每平方公里超过3900人）和密集的商业和工业活动，产生了大量的微塑料排放（Peng等人，2018年）。其地理位置位于长江入海口，雨水中的微塑料可能通过长江水系最终进入东海（Zhang等人，2021年），加上亚热带季风气候（年平均温度16.1°C，年平均降水量1200毫米），共同创造了微塑料通过径流传输的理想条件（Eo等人，2019年）。平坦的地形进一步加剧了排水系统的压力，促进了微塑料污染物的扩散（Liang和Ding，2017年）。上海独特的地理和气候条件使得雨水径流中的微塑料污染更加复杂，因此研究上海雨水径流中的微塑料污染特征具有更广泛的意义：它可以揭示城市微塑料传输的一般规律，其发现适用于其他类似的城市生态系统，并有助于评估微塑料对全球城市水环境的影响。
目前关于城市雨水径流中微塑料污染的研究仍然有限，尤其是在像上海这样的特大城市的中心城区。在三个关键领域仍存在知识空白：（1）城市功能区域之间的空间污染差异；（2）降雨事件期间的传输机制；（3）不同类型微塑料的传输行为。为了解决这些空白，本研究在上海市中心的一次强降雨事件中，采用了事件内时间序列采样方法（在降雨开始后的0、5、15、30、60、120和240分钟进行采样），以调查三个不同功能区域（居民区、餐饮区和停车场）雨水径流中的微塑料浓度、分布和传输行为。我们的研究旨在深入理解城市雨水径流中微塑料的来源、传输动态和环境行为，从而为预防和控制全球河口城市的微塑料污染提供科学参考，并为可持续城市发展目标做出贡献。
研究区域和样本收集
研究区域位于上海中心城区的西北部（东经121°19′17″-121°26′48″，北纬31°13′13″-31°18′17″），总面积为55.53平方公里（图1）。采样点设置在三个功能区域：居民区（142,000平方米），人口密度稳定，人员流动有限，设有分布式的生活垃圾投放点；餐饮区（25,290平方米），以餐馆和零售场所为主，行人流量较大
微塑料浓度的时间动态和空间变化
为了量化微塑料污染的空间异质性，统计了径流样本中所有可见的微塑料（尺寸>20微米），餐饮区共计数到13,532个微塑料，居民区3,881个，停车场4,387个，整个实验共计数到21,800个微塑料。微塑料的时间加权平均浓度（TWAC）在三个功能区域之间存在显著的空间差异（图2a）。
城市雨水径流中微塑料的主要特征和来源
雨水径流中的微塑料主要为小尺寸（<1.0毫米）和纤维状：三个区域中<1.0毫米的微塑料占比为67.1%-83.3%（图3a），纤维占比为53.2%-62.7%（图4），PET和PP是最主要的聚合物类型（PET：31.3%-37.1%；PP：30.5%-31.0%）（图5a-c）。这一综合特征与之前在上海城市河流中记录的微塑料特征一致
结论
雨水径流是微塑料从城市陆地输送到水生生态系统的重要途径。基于事件内时间序列采样，本研究调查了上海三个功能区域的微塑料特征和动态，主要发现包括：（1）微塑料主要为小尺寸（<1.0毫米），纤维状为主，PET/PP为主要聚合物类型；（2）污染具有显著的空间异质性，餐饮区是污染热点
作者贡献声明
李俊豪：可视化、调查、数据分析、概念化、撰写——审稿与编辑、初稿撰写。余博文：方法论、调查、数据分析、概念化、撰写——初稿撰写。曹成进：监督、资源获取、概念化、撰写——审稿与编辑。吴柳星：调查、数据管理。赵亚萍：监督、项目管理。朱瑞云：调查、数据管理。胡洋洋：调查
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFF0808803）、上海自然科学基金（21ZR1418600）、上海有机固体废物生物转化工程研究中心（19DZ2254400）以及山西水污染预防与利用重点实验室建设期间的科研计划项目（SWRFZYLY202503）的支持。
