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低密度微塑料在河流近岸区的运输与沉积受湍流强度和生物膜交互作用调控。通过水槽实验结合粒子追踪技术，发现湍流增强（摩擦速度≥0.0014 m/s）显著提高微塑料与单一菌种生物膜的接触频率（3.3%-4.3% vs 1.6%），但生物膜对微塑料的滞留率仅0.6%-5.8%，并随湍流增强略有下降。研究揭示湍流驱动颗粒向床面输送，而生物膜特性主导滞留过程，形成两步协同机制，为河流系统微塑料迁移模型提供新参数。
吉列尔梅·卡拉布罗-索萨（Guilherme Calabro-Souza）、安德烈亚斯·洛尔克（Andreas Lorke）、亚历克西斯·西蒙斯（Alexis Simons）、塞德里克·肖蒙（Cedric Chaumont）、布鲁诺·塔辛（Bruno Tassin）、拉希德·德里斯（Rachid Dris）
水、环境与城市系统实验室（Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains, LEESU），法国巴黎国立土木工程学校（école Nationale des Ponts et Chaussées, ENPC），巴黎东克雷泰尔大学（Université Paris-Est Créteil），布莱兹·帕斯卡尔大道6号和8号，77420，马恩-拉-瓦莱（Marne-la-Vallée），法国
摘要
微塑料（MP）在河流中的命运受颗粒特性、生物相互作用和水动力学的影响，但控制低密度微塑料近床行为的机制仍不清楚。尽管具有浮力，低密度微塑料仍经常出现在沉积物中，这表明湍流驱动的传输和底栖生物膜影响了近床传输和滞留。水槽实验量化了湍流如何调节微塑料的传输、生物膜接触以及沉积物-水界面处的微塑料-生物膜相互作用。实验使用了荧光聚乙烯球（直径0.995厘米，约50微米），在受控流动条件下进行。通过颗粒追踪测速法重建了单个铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）生物膜附近的颗粒轨迹，而湍流强度由摩擦速度（ = 0.0009、0.0014和0.0024米/秒）表征。湍流的增加显著增加了微塑料与生物膜的接触频率（p < 0.001），在湍流强度≥0.0014米/秒时，接触比例达到所有观察到的微塑料的3.3-4.3%。大多数与生物膜接触的微塑料来自粘性边界层，但在较高湍流条件下，约有20%的微塑料来自上方，反映了传输路径的变化。生物膜对微塑料的滞留率较低（0.6-5.8%），并且随着湍流的增加而略有下降，这表明在传输和附着之间存在权衡。这些结果表明了一个两步机制：湍流将微塑料输送到近床区域，而生物膜特性则决定了其滞留。这一耦合过程有助于解释沉积物中存在浮力微塑料的现象，并突出了底栖生物膜在促进水与河床之间微塑料交换中的作用。此处得出的经验关系可以为基于过程的传输模型提供信息，以改进对河流系统中微塑料命运和通量的预测。
引言
自20世纪70年代以来，塑料的低成本和多功能性推动了其全球范围内的广泛应用，但它们在生态系统中的普遍存在及其缓慢降解使其成为主要的环境问题。微塑料（MP，直径5毫米至1微米）现在无处不在，包括深海和极地地区（[1]，[2]）。它们来源于较大塑料的分解以及个人护理产品等直接来源（[3]），并对物种的健康和生存产生负面影响（[4]）。在流域尺度上，微塑料的传输遵循空气-土壤-水的连续体，并可到达河口。这种连续体中的高传输率（通量）取决于特定的土地利用和开发方式，尤其是在高度城市化和工业化的地区（[5]）。事实上，雨水径流、合流制污水溢流和污水处理厂排放物是微塑料从城市土壤和不透水表面进入河流的主要来源（[6]）。然而，一些流经大城市的河流在上游和下游的微塑料浓度方面没有显著差异（例如，[7]，[8]，[9]）。
当微塑料进入河流后，水柱中的动态通常受三个因素控制（[10]，[11]）：塑料颗粒的特性；微塑料移动的介质和生物群；水流的水动力学。这些因素在微塑料传输中并非单独作用，它们之间会相互作用，共同决定了微塑料的时空分布。
在自然水环境中采集的微塑料具有多种形状、大小和聚合物类型（例如，[12]）。这些颗粒特性对微塑料沿河流的传输及其在水柱中的行为起着重要作用（[13]）。根据颗粒的密度，微塑料可能具有正浮力或负浮力。例如，聚氯乙烯（PVC）颗粒的密度约为1.2至1.6克/立方厘米，具有负浮力；而聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）的密度分别为0.90克/立方厘米和0.88至0.96克/立方厘米，具有正浮力。在流动水中，较大且密度较高的颗粒比较小或不规则的颗粒沉降得更快，其球形结构使得沉降过程中翻滚或不规则运动最小（[14]，[15]）。此外，纤维颗粒的移动速度较慢且持续时间更长（[16]）。对于高密度非浮力微塑料，形状和大小决定了其近床传输方式——从滚动颗粒到悬浮纤维（通过预测相图[17]）。尽管如此，所有形状和大小的正浮力微塑料都会出现在河流的沉积物和河床中（例如，[18]）。
另外两个因素与微塑料动态发生的水体特性有关。水体的水动力学有助于微塑料的扩散。明渠流动理论描述了水柱内平均水平速度的对数分布，这部分由剪切应力控制。在河床附近的边界层内，尤其是粘性亚层下方，流动是层流的，速度分布大致呈线性。后者调节了沉积物与水柱之间的相互作用，从而影响微塑料的沉积和再悬浮。理论方法和数值模型描述了水动力学，特别是湍流对微塑料动态的影响（[19]）。湍流传输取决于涡流大小、湍流动能和耗散，以及颗粒对湍流的响应时间（即颗粒适应湍流所需的时间），并可能将微塑料推向河床（[20]）。Molazadeh等人[21]首次提出了一个实验方法，其中球形PE颗粒在涡流驱动下接触不同的基底，而Stride等人[22]进一步揭示了水-沉积物界面上的双向微塑料交换——包括在变化剪切力下从孔隙水中上升到水柱的浮力颗粒。生物群-沉积物因素涵盖了接收微塑料环境的生态特性。生物群对微塑料动态的影响取决于水体内部食物网的复杂性。这种复杂性受营养物和光照可用性、水温以及水动力学等因素的影响，并在静水系统（如池塘和湖泊）和流水系统（如河流和溪流）之间有所不同。静水系统通常具有更高的生态复杂性，而流水系统则具有更强的水动力作用。这些水体特性直接影响结构、悬浮固体和能够干扰或影响微塑料在水柱中自由运动的生物的存在，例如被浮游动物吞食或被大型植物捕获（[23]）。除了改变微塑料的表面特性和聚集外，生物膜的生长也会显著改变其沉降速度，类似的沉降变化还受到浑水中悬浮矿物和有机颗粒相互作用的影响，共同控制微塑料在水柱中的停留时间和垂直分布（[24]，[25]，[26]）。
细菌或真菌生物膜，特别是它们的胞外聚合物物质（EPS），存在于所有水生环境中。它们没有季节性变化，形成连续的层覆盖河流、溪流和湖泊的河床。生物膜的发展受河床剪切应力、营养物可用性、光照以及在水体中的浑浊度等因素的影响（[27]）。EPS可以捕获细颗粒沉积物[28]和大分子[29]。然而，关于生物膜基质如何促进微塑料捕获的经验理解仍然有限[30]。人们对生物膜的兴趣主要在于它们的非季节性特性，因为它们可以在不受干扰的情况下全年持续存在于水生系统的河床上。
本研究探讨了控制微塑料动态和命运的关键因素，包括颗粒特性、生物群-沉积物相互作用和水动力学。虽然这些因素在之前的研究中都已被研究过，但它们通常被单独考虑，而一个综合的实验框架来探讨它们对微塑料传输、滞留和再悬浮的综合影响仍然缺乏。微塑料的命运源于这些过程的相互作用：颗粒特性决定了微塑料对流动的响应，生物群-沉积物相互作用影响其在河床的滞留和再悬浮，水动力条件则控制传输和混合。尽管湍流可以促进正浮力微塑料向河床的传输，但它并不能单独决定其长期命运。因此，本研究的目的是通过实验方法调查流动条件、颗粒特性和生物膜介导的生物群-沉积物相互作用对微塑料动态的耦合效应，测试一个代表性的颗粒特性因素、一个生物群-沉积物相互作用因素以及一系列湍流条件。这种方法旨在提高对控制水生系统中微塑料滞留和命运机制的理解。
实验方法
水槽实验
实验使用了一个长600厘米、宽和高均为30厘米、坡度为1%的水槽。水深为20厘米。水槽中的流速在实验过程中被控制在4.5、9和12.5立方米/小时，相应的平均流速（）分别为0.021、0.042和0.058米/秒。这些速度选择是为了代表与颗粒传输和河床-水界面沉积相关的低能量、近床水力条件。
湍流能量驱动浮力微塑料向河床移动
在三种流动条件下——低速、中速和高速——颗粒都在水柱中向下移动并接触生物膜（补充表1）。对于每种湍流环境，微塑料的浓度以及接触生物膜的微塑料数量在每次实验和不同处理条件下都有所变化。微塑料在每次实验开始时被引入水槽的进水口附近，其动态取决于流速提供的混合能力，因此也取决于
结论
本研究评估了湍流和生物膜对低密度微塑料从水柱传输到水生生态系统河床的直接影响。结合颗粒追踪测速法的水槽实验表明，增加流速——从而增加流速和摩擦速度——显著增强了到达河床生物膜的微塑料数量。在低速流动条件下，54个微塑料（1.6%）与生物膜接触；而在中速和高速流动条件下，这一比例分别为87个微塑料（3.3%）
环境意义
本研究从机制上阐明了河流系统中低密度微塑料的命运，整合了湍流、生物膜相互作用和沉积物动力学。实验使用了与环境相关的近岸浓度和剪切速度，反映了城市径流和合流制污水溢流首次引入微塑料的区域。结果突显了湍流如何控制颗粒传输以及生物膜如何调节微塑料的滞留，从而提高了对微塑料命运的理解。
CRediT作者贡献声明
塞德里克·肖蒙（Cédric Chaumont）：撰写——审稿与编辑、资源管理、方法论、概念化。布鲁诺·塔辛（Bruno Tassin）：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、数据管理、概念化。拉希德·德里斯（Rachid Dris）：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、资金获取、数据管理、概念化。亚历克西斯·西蒙斯（Alexis Simons）：撰写——审稿与编辑
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报告的工作。
致谢
这项研究得到了法国生态转型署（ADEME）和法国生物多样性办公室（OFB）在“Plastival”项目中的支持。该研究还得到了巴黎东克雷泰尔大学的内部项目资助。OSU Prammics提供了用于分析的立体显微镜。作者还感谢Henri Desnos、Bassem B. G. Mezdari和Bruno J. Lemaire的帮助。
