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微塑料纤维在河流中的迁移与沉积机制研究：通过水槽实验发现，清水中纤维分布均匀且沉积较少，悬浮沉积物条件下纤维易沉积，且曲率大、密度高的纤维更易与沉积物相互作用形成异质凝聚体，影响其沉降路径。
弗朗切斯卡·乌瓜利亚蒂（Francesca Uguagliati）|梅丽莎·科扎亚（Melissa Kozhaya）|克里斯·瓦尔德施莱格（Kryss Waldschl?ger）|马西米利亚诺·扎丁（Massimiliano Zattin）|马西米利亚诺·吉纳西（Massimiliano Ghinassi）
意大利帕多瓦大学地球科学系，帕多瓦，35131
摘要
微塑料纤维在河流中广泛存在，但从水柱中的悬浮状态转移到河床沉积的过程仍不清楚。我们进行了水槽实验，以量化微塑料纤维在清水和悬浮沉积物条件下从流动水中转移到沙质波纹床中的过程。在清水条件下，纤维在水柱中均匀分布，几乎不会在河床中积累，表明其能够有效地向下游输送。当加入悬浮沉积物后，纤维会聚集在水柱底部，并容易被河床吸收。实验还表明，在浑浊条件下，弯曲度更大、密度更高的纤维会更接近河床，并更频繁地与悬浮沉积物和跳跃沉积物相互作用，从而增加其被捕获的可能性。这些结果表明，悬浮沉积物对纤维的沉积有显著影响：清水条件有利于纤维向下游输送至海洋，而浑浊条件则促进微塑料纤维在河床中的沉积。
引言
微塑料现在被认为是水生环境中普遍存在的污染物，由于其持久性、移动性和潜在毒性，对生态系统构成威胁（Akanyange等人，2022年；Cole等人，2011年；Du等人，2021年；Ghosh等人，2023年；Ha和Yeo，2018年；Ivleva等人，2017年；Rakib等人，2023年）。它们的传输受到控制自然颗粒的相同水动力和沉积过程的影响（Francalanci等人，2021年；Waldschl?ger和Schüttrumpf，2019年）。然而，由于尺寸、密度和形状的差异，微塑料的行为往往与矿物沉积物不同（Waldschl?ger等人，2022年）。
河流是微塑料从陆地输送到海洋的主要通道，既充当主要载体，也作为临时储存库（Besseling等人，2017年；Wagner和Lambert，2018年）。沙质河床为微塑料与沉积物之间的相互作用创造了高度动态的环境。移动的波纹不断将沉积物在河床和流动水体之间转移（Bartholdy等人，2015年；Wiberg和Nelson，1992年），形成交替的沉积和侵蚀区域，微塑料在此区域被捕获（Ghinassi等人，2023年）。由于径流、河岸侵蚀或人为干扰导致悬浮沉积物增加，会改变近床水力条件，影响颗粒沉降，并促进微塑料与矿物颗粒的相互作用（de Lange等人，2024年；Harris和Wiberg，2002年；Lamb等人，2020年）。这些相互作用可能导致微塑料-矿物异质聚集体的形成，这种聚集体比单独的微塑料颗粒更密集，沉降速度更快（Alimi等人，2018年；Leiser等人，2021年；Wu等人，2024年）。这些过程可能增加微塑料在动态河床形态（如波纹）中的沉积（Kane和Clare，2019年；Pohl等人，2020年）。然而，尽管关于水柱和沉积物中微塑料的研究很多（Alam等人，2019年；Ding等人，2019年；Scherer等人，2020年），但这些不同环境之间微塑料的传输机制仍不甚清楚，尤其是关于水中输送的微塑料与沉积在河床中的微塑料的比例。大多数研究要么仅分析悬浮状态下的微塑料，要么仅分析沉积物中的微塑料，而没有直接将传输过程与沉积过程联系起来（Balla等人，2024年）。因此，目前尚不清楚河床沉积物中的微塑料浓度是与上游流动水体中的浓度相关，还是经过多次传输-沉积循环后累积的结果。根据水体浑浊程度来解释这一差异对于理解河流悬浮负荷变化如何影响微塑料在河床中的沉积或直接进入海洋环境至关重要。
在这里，我们通过设计控制水槽实验来量化微塑料纤维从水柱转移到移动波纹中的沉积过程，从而解决了这一不确定性。通过同时测量水中的纤维和沉积物中的纤维，我们直接将它们在流动中的传输过程与沉积过程联系起来，评估了沉积效率，研究了悬浮沉积物对纤维沉积的影响、纤维在水流中的垂直分布及其在沉积物中的整合情况，同时考虑了聚合物特定性质对纤维行为的影响。这种实验方法为理解微塑料纤维与沉积物动态之间的相互作用提供了全面的框架，为研究其在类似河流环境中的传输路径和沉积机制提供了新的见解。
实验装置
实验在一个长4米、宽0.3米的循环水槽中进行（图1），该水槽能够产生移动的三维沙质波纹。水槽倾斜角度为0.1度，在稳态条件下运行，保持恒定的水深11厘米和流速0.28米/秒，对应的流量为9.24升/秒。在水槽上游端安装了整流装置，以防止局部侵蚀并确保水流在整个通道宽度上均匀分布。
水柱中的纤维行为
在清水条件下（图4a），水柱中的纤维浓度仅表现出轻微的垂直分层。下层水柱中的纤维数量范围为44.2至2195.7个/升（平均1042.6 ± 830.5个/升），上层水柱中的纤维数量范围为42.6至1906.6个/升（平均949.8 ± 723.3个/升）。PA和PES聚合物在上层和下层中的浓度变化很小。PA聚合物在上层水柱中的浓度范围为11.5至895.8个/升（平均461.5 ± 351.7个/升）
作者贡献声明
梅丽莎·科扎亚（Melissa Kozhaya）：研究工作。克里斯·瓦尔德施莱格（Kryss Waldschl?ger）：撰写、审稿与编辑、概念化。马西米利亚诺·扎丁（Massimiliano Zattin）：撰写、审稿与编辑、项目管理、概念化。马西米利亚诺·吉纳西（Massimiliano Ghinassi）：撰写、审稿与编辑、资源获取、项目管理、概念化。弗朗切斯卡·乌瓜利亚蒂（Francesca Uguagliati）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、数据分析、概念化
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。
致谢
本项目得到了Enel Green Power的支持，项目名称为：“河流沉积物中微塑料的识别、定量及其分布模型”。作者对此表示衷心的感谢。
