揭示北美河流中微塑料的分布模式及其流域影响因素

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Unraveling Microplastics Distribution Patterns and Watershed Predictors in North American Rivers

本研究通过对北美171个流域540个河流微塑料样本的分析，揭示了水文和土壤特性对微塑料分布的影响，发现饱和水力传导率、黏土含量和径流是主要预测因子，且在湿润地区作用更显著。

　　

Xue Xiao|Samuel Cusworth|Lingzhong Kong|Kyungdoe Han|Yichen Tao|Yihao Xun

中国湖北省武汉市，华中师范大学城市与环境科学学院，邮编430079

摘要

河流系统是微塑料传输的主要途径，但与其分布模式相关的大陆尺度流域特征仍缺乏足够的了解。本研究利用来自北美洲171个流域的数据，结合水文气象、土壤学和人为因素，调查了河流中的微塑料分布及其影响因素。通过对540个样本的分析，我们发现微塑料污染普遍存在，其浓度在整个大陆范围内存在显著差异。北美洲河流中的微塑料浓度范围为0至27.8颗粒/升，通常低于全球地下水系统的浓度（0至97.0颗粒/升）。微塑料主要为蓝色纤维，长度小于1.5毫米。通过主成分分析，我们确定了土壤结构和水生生态结构这两个关键环境因素可能影响河流中的微塑料浓度。最强的统计关联性与饱和水力传导率（R2 = 0.79-0.83，p < 0.01，负相关）、泥沙含量（R2 = 0.47-0.60，p < 0.05，正相关）以及径流（R2 = 0.41-0.49，p < 0.1，负相关）有关，这些关联在大陆范围内以及湿润地区都是一致的且显著的。相比之下，在干旱地区，植被覆盖度（NDVI；R2 = 0.47，p < 0.1，负相关）是一个更重要的预测因子。研究表明，泥沙含量是影响流域内微塑料传输的关键指标，高泥沙含量的土壤类型与河流中较高的微塑料浓度相关。我们的发现揭示了北美洲河流中微塑料污染的广泛分布模式，并表明水文和土壤条件等因素在大陆尺度上塑造了这些模式。这些见解为有针对性的监测和制定有效的缓解策略提供了科学依据。

引言

微塑料已成为日益引起全球关注的环境污染物，对生态系统功能和人类健康构成潜在风险[1][2][3][4][5]。微塑料包括一次性和二次性颗粒，通常是合成聚合物颗粒（直径通常小于5毫米），在全球的大气、陆地和水生环境中普遍存在[6][7][8][9][10]。一次性微塑料来源于工业颗粒、含有微珠的产品以及其他工程塑料颗粒。而二次性微塑料则是较大塑料碎片破碎后的产物，来源多样，包括合成纺织品、地膜、包装材料、轮胎磨损颗粒和油漆[3][11]。此外，PFAS和重金属与微塑料的结合促进了它们的长距离传输，加剧了综合生态风险[12][13]。这些因素共同创造了多种暴露途径，对人类和地球健康构成威胁[3][14]。微塑料的普遍存在跨越了各种环境介质[9][10][15][16][17]，凸显了跨界污染的挑战。因此，了解微塑料的特性、环境行为和暴露途径对于制定保护生态稳定性和公共健康的有效风险缓解策略至关重要。

微塑料在水生系统中无处不在，已在海洋、河口、河流、水库、湖泊、湿地和地下水系统中得到广泛记录[8][18][19][20][21][22][23]。多项研究强调了微塑料污染的复杂性，特别是颗粒的特性（成分、大小、形状、密度）对其在水生系统中的命运的影响[18][24][25]。从浮游生物到大型哺乳动物，全球各种水生生物体内都检测到了微塑料[10][26][27]。微塑料与水生生物的相互作用（如通过食物网的生物累积及其相关的毒性效应）已被证明会对生物的生存能力和繁殖能力产生实际影响，可能导致生物多样性的丧失和生态系统生产力的下降[27]。随着颗粒大小的减小，微塑料的生物可利用性增加，从而在生物体内积累更多[28]。全球水生系统中的微塑料丰度存在几个数量级的差异[29][30][31][32][33]，表明微塑料在表面水、土壤和地下水之间发生了广泛的跨介质传输，这对整个水生生态系统构成了重大挑战[34]。

河流系统是将微塑料从陆地来源传输到海洋生态系统的主要途径[3]。全球范围内的研究表明河流中的微塑料普遍存在，但由于人为因素和区域特征的差异，不同地点和流域之间的浓度差异很大[26][35]。有研究指出Beas河中的微塑料浓度与人口密度之间存在显著关联[36]。然而，在其他三个流域的研究中并未发现这种显著关系[37][38][39]。此外，在西班牙东北部，微塑料浓度与流域内的城市用地覆盖率有显著相关性[40]，而在塞纳河中则未观察到显著变化[41]。据我们所知，以往的研究主要集中在单个流域或区域尺度上，探讨不同因素对河流微塑料浓度的影响。由于流域特定特征的影响，局部研究的结果往往不一致。此外，这些研究经常忽略关键流域特征（如饱和水力传导率和温度），或缺乏综合考虑土壤质地、水文气候、植被覆盖度和人为因素的综合性分析[36][38][39][40]。这种碎片化的认识给将研究结果推广到大陆尺度带来了挑战。因此，目前尚不清楚哪些预测因子在多种河流系统中具有普遍性，它们的相对重要性如何，以及干旱和湿润地区之间的控制因素是否存在系统差异。

在这项研究中，我们收集了来自北美洲171个流域的540个微塑料样本，并将每个观测结果与相应的流域特征进行了关联。我们的具体目标是：（1）量化大陆尺度上河流微塑料浓度的空间分布模式；（2）描述微塑料的组成和变化性；（3）识别在干旱和湿润地区控制微塑料分布的主要环境因素。

研究区域

本研究重点关注北美洲的河流系统，特别是美国本土地区，范围大约在北纬20°至72°、西经170°至50°之间（图1a）。该研究区域环境多样，从阿拉斯加北部的北极苔原到美国南部的亚热带地区都有覆盖。该区域跨越了多种气候带，降水量梯度从年降水量不足100毫米的极端干旱沙漠到……

微塑料分布

图1和图2显示了北美洲河流系统中微塑料浓度的分布模式。核密度概率分布表明，美国本土北部河流中的微塑料浓度较高，浓度范围为0至27.8颗粒/升。在主要河流系统中，里奥格兰德河的平均浓度最高（1.71颗粒/升），高于育空河（0.76颗粒/升）……

水生环境中的微塑料模式

广泛的空间采样显示，北美洲河流中普遍存在微塑料污染，不同河流之间的浓度差异很大（图1b），干旱地区和湿润地区之间也存在明显差异（图2d）。此外，我们的研究发现，当地河流中的微塑料主要为蓝色纤维，长度小于1.5毫米。这种分布模式可能是由主要来源和环境因素共同作用的结果……

结论

本研究调查了北美洲171个流域中河流微塑料的分布模式，并统计分析了与这些模式相关的流域特征。通过对540个河流样本的全面分析，我们发现了河流微塑料浓度与流域特征之间的一致性统计关联。主要结论如下：

• （1）北美洲河流中的微塑料主要以长度小于1.5毫米的蓝色纤维为主。

CRediT作者贡献声明

Yihao Xun：撰写 – 审稿与编辑、方法学、数据分析、可视化、数据分析、调查、正式分析、数据管理。 Xue Xiao：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、调查、数据分析、数据管理。 Kyungdoe Han：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、方法学、调查、数据分析、正式分析。 Yichen Tao：撰写 – 审稿与编辑、方法学、调查、数据分析。 Samuel Cusworth：撰写 – 审稿与编辑、调查、数据分析。 Lingzhong Kong：撰写 –

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

我们感谢Adventure Scientists组织志愿者进行数据收集工作。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52579078）的支持。同时，我们也感谢编辑和四位匿名审稿人的指导和富有洞察力的评论，这些意见极大地提升了本文的质量。

数据可用性

空气质量指数可从美国环境保护署获取（https://aqs.epa.gov/aqsweb/airdata/download_files.html）。NDVI、降水量等数据也可获取……