金属结合与来自苏格兰北部偏远沿海地区的绳索衍生纤维微塑料的生物可利用性

《Marine Environmental Research》：Metal association and bioaccessibility in rope-derived fibrous microplastics from remote coastal environments of Northern Scotland

微塑料污染对北极沿海地区金属迁移和生物可及性影响研究。通过分析24个采样点的纤维微塑料，发现聚丙烯和聚乙烯占主导（来自渔网）。FTIR和SEM显示表面氧化降解， sequential extraction和pseudo-total digestion检测到锰、铅、锌的生物可及性差异，揭示制造添加剂和表面吸附的双重金属赋存机制。

　　

弗洛里安·迈耶（Florian Meyer）| 萨博尔茨·帕普（Sabolc Pap）| 张慧仪（Huiyi Zhang）| 尼尔·A·詹姆斯（Neil A. James）| 肯尼斯·G·博伊德（Kenneth G. Boyd）| 马克·A·塔加特（Mark A. Taggart）

高地与群岛大学（University of the Highlands and Islands）西部分校及赫布里底分校环境研究所（Environmental Research Institute, UHI North, West and Hebrides），瑟索（Thurso），KW14 7JD，英国

摘要

微塑料污染日益被视为一个普遍存在的环境问题，即使在那些人类活动影响相对较小的偏远沿海地区也是如此。除了其物理存在外，微塑料还可以作为环境中的金属和制造过程中产生的金属的载体，影响这些金属的迁移性和生物可利用性。在这项研究中，研究人员对来自苏格兰北部大陆和奥克尼群岛（Orkney Islands）24个海滩的纤维状微塑料进行了分析，并确定了塑料绳索材料（包括原始材料和从海滩收集的材料）是这些纤维的主要来源，进而评估了其中的金属含量及其生物可利用性。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）确定了聚合物的组成和表面风化情况，而通过顺序提取和伪全消化法（sequential extraction and pseudo-total digestion methods）评估了绳索材料中的金属浓度及其分布。结果表明，聚丙烯（polypropylene）是主要的聚合物类型，其次是聚乙烯（polyethylene），这与渔业活动有关。风化的绳索表面出现了氧化和结构降解现象，表明金属与绳索的结合程度增加。顺序提取显示锰（Mn）的生物可利用性最高，其次是铅（Pb）和锌（Zn）；伪全消化法则揭示了制造过程中添加的颜料和添加剂中也含有金属。总体而言，本研究提供了关于苏格兰北部偏远沿海地区绳索来源的纤维状微塑料中金属结合和生物可利用性的区域尺度机制评估。

引言

近50年前，卡彭特等人（Carpenter et al., 1972）首次对北大西洋中的塑料污染问题提出了警告。塑料污染的来源多种多样，包括渔网/渔具、意外泄漏、废弃的制造材料以及来自陆地的垃圾（Anagnosti et al., 2021; Pourebrahimi and Pirooz, 2023）。据估计，2022年全球塑料产量为4.003亿吨（Nayanathara Thathsarani Pilapitiya and Ratnayake, 2024），这意味着每年有480万至1270万吨塑料垃圾从陆地进入海洋——其中大部分来自亚洲（Nayanathara Thathsarani Pilapitiya and Ratnayake, 2024; Ronkay et al., 2021）。塑料占海洋垃圾的85%，而海洋环境中的80%的塑料垃圾来自陆地（Bourguignon, 2018; Nayanathara Thathsarani Pilapitiya and Ratnayake, 2024; UNEP, 1990）。目前估计地球上海洋中漂浮的塑料碎片数量超过5万亿个（Anagnosti et al., 2021）。

海洋环境中的塑料通常根据大小分为宏观塑料（>5毫米）、微塑料（<5毫米）和纳米塑料（1–100纳米）（Baby and Revathy, 2025; Eze et al., 2024; Russell and Webster, 2021）。埃里克森等人（Eriksen et al., 2014）指出，大约92%的海洋塑料碎片是微塑料，且其在海洋表面的数量远低于预期，这表明它们很可能沉降到了海洋沉积物中。与宏观塑料相比，微塑料通常具有更大的生态毒性（Baby and Revathy, 2025; Chatziparaskeva et al., 2022; Fu et al., 2020），主要是因为它们具有更大的比表面积，能够吸附污染物（Lahens et al., 2018）。微塑料可分为初级微塑料（最初就以微塑料形式存在）和次级微塑料（由较大塑料碎片降解而成）（Baby and Revathy, 2025; Pourebrahimi and Pirooz, 2023）。已有大量报道指出，海洋生物会摄入微塑料，从浮游动物和无脊椎动物幼虫到更高营养级的生物都有（Eze et al., 2024; Mamun et al., 2023; Zhang et al., 2020），并且微塑料还可能通过与其它水溶性污染物的相互作用和积累增加这些污染物的危害（Zhang et al., 2020）。一些疏水性污染物，如多氯联苯（PCBs）和多环芳烃（PAHs），容易被微塑料吸附（Baby and Revathy, 2025; Pourebrahimi and Pirooz, 2023; Zhang et al., 2026）。重金属在微塑料中的积累也受到了广泛研究。例如，董等人（Dong et al., 2019）研究了聚四氟乙烯（PTFE）微塑料作为三价砷迁移的载体，发现其吸附能力可达1.05毫克/克。王等人（Wang et al., 2019）研究了镉（Cd）在高密度聚乙烯（HDPE）上的吸附情况，最高吸附能力为30微克/克。王等人（Wang et al., 2020）还评估了铜（Cu）和锌（Zn）离子在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）颗粒上的吸附情况，发现风化颗粒的吸附能力高于原始颗粒。

尽管这些研究大大加深了人们对不同聚合物类型上金属吸附机制的理解，但它们主要集中在受控实验室条件下的总金属浓度或吸附能力上。然而，总金属含量并不一定能反映生态风险（Holmes et al., 2020）。与塑料结合的金属可能以松散吸附在表面的形式存在，或者以沉淀的矿物涂层形式存在，也可能是在制造过程中掺入聚合物基质中的添加剂和颜料（Zhang et al., 2020）。这些不同形式的金属在溶解性、迁移性和生物可利用性方面存在显著差异。因此，区分总金属浓度和在环境或生理条件下可迁移的金属部分是微塑料-金属相互作用研究中一个关键但尚未充分探索的方面。评估生物可利用性可以更准确地反映在模拟环境或消化条件下可能释放的金属比例，从而改进风险评估。在偏远沿海地区，这一区分尤为重要，因为这些地区的背景污染可能较低，但通过沉积物相互作用、摄入和营养级传递的长期暴露途径仍然可能存在（Blair et al., 2019; Dijkstra and Poelman, 2014; Scottish Government, 2018）。基于此，本研究系统地评估了来自苏格兰北部大陆和奥克尼群岛海滩的微塑料（及其所含金属）。研究人员量化并分析了微塑料纤维的空间分布、聚合物组成和表面风化情况。然而，金属分析是在塑料绳索材料上进行的（包括原始材料和从海滩收集的材料），这些材料是该研究区域中发现的纤维状微塑料的主要来源。因此，这些绳索样本可以作为研究金属浓度、分配和生物可利用性的机制代理指标。通过顺序提取和伪全消化法分析了11种金属（铝（Al）、砷（As）、镉（Cd）、钴（Co）、铜（Cu）、铬（Cr）、铁（Fe）、锰（Mn）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn）。通过结合野外观察和补充的分析方法，本研究通过区分环境可迁移的金属部分和与制造过程中添加的颜料和添加剂相关的金属，填补了现有知识空白，从而扩展了对偏远沿海地区微塑料-金属相互作用的理解。

采样地点和方案

本研究包含两个互补的部分。首先，从海滩沉积物中分离并量化微塑料纤维，以评估其空间分布和聚合物组成。其次，对绳索材料（包括原始材料和从海滩收集的材料）进行了金属分析，这些材料被认为是该研究区域中纤维状微塑料的主要来源。这些绳索样本用于研究金属浓度、分配和在微塑料破碎前的生物可利用性。

微塑料纤维的空间分布

图1显示了微塑料纤维污染的地理分布。阿马代尔（Armadale）和斯克拉布斯特（Scrabster）两个海滩的纤维密度特别高。根据获得的数据，奥克尼群岛的海滩污染程度较低，而西海岸的污染程度则处于中等水平。

绳索的顺序提取与全消化数据

需要指出的是，本研究中呈现的金属数据来自绳索材料——这些材料是现场收集的原始材料，而非从海滩沉积物中分离出的微塑料纤维。

微塑料的分布

根据本研究观察到的空间模式，我们认为苏格兰北部微塑料纤维的积累主要受局部污染源输入和区域尺度上的水动力传输的影响，而不仅仅是人口密度的作用（Kushwaha et al., 2024; Russell and Webster, 2021）。某些偏远地区的纤维污染程度较高，表明偏远地区并不一定意味着微塑料污染水平低。小型渔港等地方也

结论

本研究全面评估了苏格兰北部大陆和奥克尼群岛沙滩上的微塑料污染情况。研究结果证实，即使在这些偏远沿海地区，微塑料也广泛存在，其中聚丙烯（64%）和聚乙烯（30%）是主要成分，这些微塑料很可能来自废弃的渔具（如渔网和绳索）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析显示，风化后的微塑料表面出现了明显的氧化和结构降解现象。

作者贡献声明

弗洛里安·迈耶（Florian Meyer）：验证、方法论、调查、概念化。萨博尔茨·帕普（Sabolc Pap）：撰写初稿、可视化、软件使用、正式分析、数据管理。张慧仪（Huiyi Zhang）：撰写初稿、可视化、监督、数据管理。尼尔·A·詹姆斯（Neil A. James）：撰写与编辑、监督、资源协调、项目管理、概念化。肯尼斯·G·博伊德（Kenneth G. Boyd）：撰写与编辑、验证、监督、项目管理、方法论。马克·A·塔加特（Mark A. Taggart）：监督

注释

作者声明没有竞争性财务利益。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本研究时，作者使用了ChatGPT和Google Gemini工具来改写文本内容并校对语言和准确性。使用这些工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢卢瓦尔河地区委员会（Conseil Régional des Pays de la Loire）为弗洛里安·迈耶（Florian Meyer）提供的资助。作者还感谢布莱恩·奎因（Brian Quinn）在傅里叶变换红外光谱分析及塑料样本表征方面的帮助。