《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microplastics exacerbate heavy metal pollution stress in the surface water of a mining city: Occurrence, drivers, and vector effects
编辑推荐：
微塑料与重金属协同污染特征及其载体机制研究——以淮北煤矿区为例，揭示了表面水及沉积物中微塑料（MPs）的时空分布规律，发现透明纤维和薄膜类微塑料占比超70%，主要成分为聚乙烯和聚丙烯。研究证实MPs显著增强Cd、Cr等重金属的迁移能力，吸附容量达沉积物基质1.8倍，并构建了pH、TN、Cr-Pb调控网络模型。关键发现包括：MPs丰度与TN（p<0.05）、NO3?-N（p<0.05）呈正相关，沉积物中Cr、Pb（p<0.05）起主要调控作用；MPs通过表面吸附和界面反应形成“重金属-微塑料”复合污染物，导致生态风险指数升高至III级（高风险）。研究成果为矿区水体重金属复合污染治理提供科学依据。
凌玲|贺杰|赵继阳|顾丽娟|邵梦军|张彦海|金学良|郑柳根
安徽大学资源与环境工程学院，中国安徽省合肥市230601，矿山生态修复工程实验室
摘要
煤炭开采活动会导致地表沉降和重金属污染，威胁区域水资源安全。在采矿区进行农田复垦等过程中释放的微塑料（MPs）可能成为重金属迁移和污染的载体，加剧污染问题。然而，对于高强度采矿区域地表水中微塑料与重金属共存及复合污染的系统性认识仍然有限。因此，本研究以一个典型的煤矿城市为例，评估了地表水中微塑料和重金属的污染状况，并揭示了微塑料在水生生态系统中的环境作用。研究结果显示，地表水中微塑料的平均浓度为216.7±81.9 n/L，沉积物中的平均浓度为1496.7±562.5 n/kg。微塑料主要为直径小于0.1毫米的透明纤维和薄膜，主要由聚乙烯（43.50%）和聚丙烯（36.29%）组成。风险评估表明整体微塑料污染负荷较低，但聚合物危害指数显示为三级（高风险）。镉（Cd）、砷（As）和镍（Ni）是水生环境中的主要风险元素。地表水中微塑料的丰度显著受总氮（TN）、硝酸盐氮（NO??–N）、铬（Cr）和铅（Pb）的影响（p<0.05），而在沉积物中，pH值、铬（Cr）和铅（Pb）是关键调控因素（p<0.05）。此外，微塑料作为镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）和锌（Zn）等重金属的关键载体，其吸附能力与沉积物基质相当，起到动态的“传输-释放”作用。这些发现为管理微塑料-重金属复合污染及保障煤矿城市水生生态健康提供了依据。
引言
煤炭资源开发是区域经济发展的重要引擎，但同时也引发了一系列严重的生态和环境问题，如地表沉降和土地退化[1]。煤炭开采、加工和运输过程中产生的大量煤矸石若长期露天堆放，不仅占用土地，还会通过降水淋溶和地表径流等过程释放重金属，进而污染周围环境[2][3]。源解析研究表明，在淮南和淮北等典型的煤炭资源地区，煤矸石及相关采矿活动是当地水体和土壤中重金属积累的主要人为来源[3][4]。这些具有持久性、生物累积潜力和生态毒性的重金属污染物对区域水资源安全和人类健康构成长期威胁[5]。为修复采矿活动造成的土地破坏，中国实施了以土地复垦为核心的生态恢复战略。根据《土地复垦条例》的要求，复垦土地通常优先用于农业[6]。然而，生态恢复过程在恢复土地功能的同时，也可能引入新的污染风险：农业生产中广泛使用的塑料产品（如地膜和肥料包装）在露天环境中容易因光氧化和机械磨损产生微塑料（MPs）。此外，城市化、旅游业和水产养殖等人活动产生的塑料废物进一步增加了区域环境中的微塑料负荷[7]。
微塑料可通过多种环境介质传输，并最终进入水生生态系统。除了地表径流和污水排放等直接途径外，大气传输和沉降也成为微塑料从源头地区向远距离水体迁移的重要过程[8][9]。在采矿、农业和城市活动频繁的地区，塑料产品的老化和磨损以及土壤或材料中微塑料颗粒的重新悬浮可能导致微塑料释放到大气中[10]。这些微塑料可能通过干沉降（如重力沉降）或湿沉降（如降水或雪水冲刷）进入地表水[11]。在采矿干扰和复垦活动共同影响的复合景观中，来自农业、工业和生活的微塑料可能与历史采矿遗留的重金属在水生环境中发生相互作用[12]。由于微塑料具有较大的比表面积和疏水性，它们能有效吸附水中的溶解重金属离子，形成“重金属-微塑料”复合污染物[13]。这种相互作用不仅会改变重金属的形态、迁移性和生物可利用性，增强其在环境中的持久性和扩散性，还可能通过食物链传递产生协同或增强的生态毒性效应[14]。因此，微塑料的输入可能会加剧采矿和复垦地区的水环境压力，给这些地区的水生生态系统保护与恢复带来更复杂和不确定的挑战[15]。
水生环境中微塑料的传输、转化和最终生态影响受人为土地利用模式和区域自然水文化学因素的共同作用[16]。长期高强度人类干扰的采矿区具有复杂的土地利用格局。团队之前的研究表明，不同的土地利用类型和人类活动显著影响微塑料在煤矿区土壤中的积累[17]。此外，微塑料的存在特征与其所在环境的物理化学性质密切相关[18]。现有证据表明，pH值是调节微塑料在环境中分布的重要因素：在高pH值条件下，微塑料表面的带电位点增加，从而增强其对某些重金属的吸附能力[19]。采矿区的水环境通常具有独特的物理化学特性，采矿和农业活动的排水会改变包括pH值在内的多个指标，进而影响微塑料与重金属的相互作用[20]。例如，淮南一个煤矿沉降区的研究发现，微塑料的丰度与土壤和水中pH值、氮含量和有机物含量呈显著正相关，凸显了采矿区独特地球化学背景对其环境行为的影响[21]。因此，系统评估和控制煤矿区微塑料-重金属复合污染需要综合方法，必须考虑土地利用结构和水环境因素的协同效应。这种综合评估将为确保复垦生态系统的健康和长期稳定性提供科学支持。
淮北市是中国东部重要的煤炭生产基地和农业粮仓，由于长期采矿活动，该地区经历了广泛的地表沉降和生态退化。受塑料在煤炭生产和集约化农业（如地膜覆盖和温室栽培）等多个人为因素的影响，微塑料污染的风险持续上升[22]。以往关于煤矿区水生环境的研究主要关注单一重金属污染，往往忽视了微塑料作为重金属载体并形成更具毒性的复合污染物的作用。本研究聚焦淮北市煤矿沉降区的湖泊和天然河流，目标有三：（1）表征不同功能区内地表水和沉积物中微塑料和重金属的空间分布；（2）确定影响微塑料丰度和分布的关键因素；（3）阐明重金属在微塑料表面的富集机制，包括主要因素和潜在过程。研究结果有望为控制煤炭资源城市水生环境中的微塑料-重金属复合污染及支持区域生态健康管理提供科学依据。
研究区域
淮北市位于黄淮海平原，属于温暖湿润的季风气候，年平均降水量约为993毫米，主要集中在夏季。受自然地理条件和长期高强度采矿活动的影响，该地区水系形成了“自然-人工”双重结构
微塑料丰度和分布特征
在研究区域的35个采样点中，地表水和沉积物样本均检测到了微塑料（图2）。其广泛存在与其他淡水系统（如太湖流域[28]和珠江三角洲[29]）的研究结果一致，表明微塑料已成为该地区淡水环境中的普遍污染物。地表水中微塑料的丰度范围为60至405 n/L，平均浓度为216.7±81.9 n/L。
局限性与展望
本研究在阐明微塑料与重金属的共存特征及其潜在传输效应方面取得了进展，但受研究设计和方法的限制，仍存在两个主要局限性。（1）在时空代表性方面，本研究基于2024年10月（雨季）的一次采样活动，虽然能够初步反映该时期的污染物空间异质性，但未能全面捕捉其他影响因素
结论
本研究系统分析了典型煤矿城市不同土地利用类型下微塑料和重金属的空间分布及其在多介质水生环境中的存在情况。结果表明，人类活动强度和土地利用模式是影响污染物积累的关键因素。在地表水中，红色区域（RA）的微塑料丰度最高（269.00±74.98 n/L），而在农业区（AA），沉积物中的微塑料丰度最高
作者贡献声明
贺杰：撰写——审稿与编辑、验证。凌玲：撰写——初稿、可视化、监督、软件使用、方法论设计、调查、数据分析、概念构建。顾丽娟：撰写——审稿与编辑、验证。赵继阳：撰写——审稿与编辑、验证。张彦海：撰写——审稿与编辑。邵梦军：撰写——审稿与编辑。郑柳根：资源协调、项目管理、资金获取、概念构建。金学良：撰写——审稿与
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42072201）、安徽大学协同创新项目（编号：GXXT-2019-029）、安徽省自然科学基金（编号：1608085QD79）以及淮北矿业集团有限公司的科技项目的支持（编号：HK-2018-1和Y06151717）。
