湖泊——内陆水体微塑料污染的热点区域

熊雄，吴辰熙

中国科学院水生生物研究所 淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉 430072

2004年，英国科学家Thompson将环境中粒径小于5 mm的塑料颗粒定义为“微塑料”，自此微塑料逐渐为世人所熟知[1]。微塑料是由人类活动产生的塑料垃圾在各种外力作用下逐渐微型化而形成的。微小的尺寸使其更易进入生物体内并对不同类型生物造成不利影响。为何将5 mm定义为微塑料粒径分界并没有准确的解释，但粒径小于5 mm塑料碎片的相关研究已经成为环境科学领域近十年来最大热点之一。目前，每年关于微塑料的相关研究报道有数百篇，其中涉及微塑料的形成机制、毒理效应、处理方法，以及最基础的内容——微塑料在环境中的分布和归趋。

海洋被认为是全球塑料垃圾最重要的汇，微塑料这一概念最初也是在海洋塑料污染研究中被定义的，因此海洋微塑料污染一直是该领域关注的重点[2]。已有大量文献对近海、大洋、河口的微塑料污染进行了报道。海洋中的微塑料污染不仅能够随着洋流在海洋中传输和聚集，还会在多重外力的作用下进入深海[3]。目前，除了在人类活动密集的海域发现微塑料外，在南北极、大洋中部乃至深海海沟中都发现了微塑料[4-5]。但无论在哪个海域发现的微塑料污染，追根溯源内陆仍是最重要的来源。Jambeck等人[6]分析了全球沿海国家每年的塑料垃圾情况。2010年，全球沿海国家产生约2.75亿t塑料垃圾，其中480万～1 270万t直接进入海洋，而其他研究估算得出的海洋漂浮微塑料总量在几千到几十万吨不等。这些研究一方面说明海洋微塑料污染严重的现状，另一方面却在提醒我们一个可能被忽略的事实——绝大部分塑料垃圾并没有进入海洋，而是留在内陆系统中。由于人类生存在内陆中，这些内陆系统中的微塑料污染可能与人类有着更为直接和密切的关系。

相对于热火朝天的海洋微塑料污染研究，内陆微塑料污染研究的起步较晚，但近年来有了长足的发展。目前，研究人员已经对包括土壤、河流、湖泊、水库、冰雪等一系列内陆环境在内的微塑料污染现状特征展开了丰富的研究[7]。内陆水体一直是这些研究关注的重点。由于与海洋的连通性，河流是最先受到关注的，也是受到关注最多的内陆水体。研究人员通过模型或实测数据估算了全球河流塑料污染的输海通量，虽然结果不尽相同，但河流毫无疑问是内陆塑料污染向海洋输入的重要途径[8-10]。与此同时，另一类可能把微塑料留在内陆系统的水体——湖泊，也逐渐引起研究者的重视。湖泊是相对封闭或全封闭的水体，与作为主要传输路径的河流不同，更像是内陆水体中的“海洋”，起到污染物汇的作用。传统的污染物，如氮磷营养盐、重金属、持久性有机污染物、抗生素等，在湖泊中积累并造成不利影响。在进入湖泊后，微塑料是否发生与传统污染物相似的环境过程，是近年来研究者一直关注的问题。湖泊作为内陆淡水资源汇集的重要水体，其相对于海洋的面积和体积更小，但承载流域内的塑料垃圾并不一定少。近年来一系列研究也显示，湖泊的微塑料污染水平远高于海洋，同时湖泊也和整个内陆生态系统及人类活动的关系更加密切，除了是淡水生物重要的生存繁殖场所外，也为人类和其他陆生生物提供生境、水源和食物。湖泊的微塑料污染可能会对淡水生物、陆生生物以及人类自身产生更直接的影响。

综上所述，湖泊微塑料污染研究具有十分重要的科学和社会意义。在全球范围内，对北美五大湖、加拿大温尼伯湖、维多利亚湖等超大型湖泊以及各国境内的大中型湖泊，均进行了一定程度的微塑料污染研究；在国内，对包括青海湖、洞庭湖、鄱阳湖、太湖、洪湖、乌梁素海、藏北湖泊、长江中下游湖群等在内的各类型湖泊的微塑料污染现状也有所研究[11-25]。这些研究显示，湖泊正面临着微塑料污染的威胁，提醒我们要更深入地对湖泊微塑料污染开展研究。另外，值得一提的是，人工形成的水库由于其和天然湖泊相似的水文水动力特征，在对污染物环境行为的影响上往往表现出和湖泊类似的特征，因此有必要将水库的微塑料污染也纳入湖泊相关研究中进行考量。对湖泊微塑料污染研究本身的分析，以及与其他水体微塑料污染的对比，我们发现湖泊微塑料污染的研究方法、污染现状以及迁移转化规律有其自身的特点。

1 湖泊微塑料研究方法

作为一种新型环境污染物，目前微塑料的采样和分析方法并没有公认的标准化方案。欧盟和美国各自提出的微塑料分析标准化体系，都存在需要完善的方面。这些方法体系是优先针对海洋设计的，应用在湖泊的相关研究中可能会存在一定问题。

首先，从采样方法看，最初海洋微塑料采样是通过Manta拖网法进行的[25-27]（图1）。Manta拖网是孔径330 μm的大型浮游生物拖网，在拖网采集微塑料样品时一般需要将网在水面拖行1 km以上的距离，然后根据网口尺寸、拖行距离和内置的流量计算出采集的面积或体积。除在海洋中有广泛应用外，拖网法在河流中也有较多应用。河流中的微塑料拖网采样除了用船只在水面拖行外，更多是将拖网固定在河流中，通过河流自身的水流流过拖网进行采样，再使用流量计或流速仪确定采样量。与海洋和河流类似，最初湖泊微塑料也使用拖网法采样，如北美的五大湖和温尼伯湖、瑞士和意大利一系列湖泊、中国的三峡水库和青海湖等许多大中型湖泊都是采用拖网法进行采样的[14,16,22,24-25]。但是，在实际的湖泊采样中拖网法存在一定的局限性。与海洋和河流相比，湖泊具有较高的营养水平和初级生产力水平，这使得湖泊中浮游植物和动物的密度远高于海洋和河流。另外，浅水湖泊还面临风浪扰动引起悬浮物较高的问题。这些浮游生物和悬浮物导致在湖泊使用拖网法采集微塑料样品时拖网易堵塞，这一问题在营养程度较高的浅水湖泊中表现更为明显。

为解决这一问题，部分研究在内陆水体采样时采用水泵过滤或水桶过滤（图1）的方法：先用水泵或不锈钢水桶采集定点的表层水样，再通过不锈钢筛网或浮游生物网进行过滤，最后将筛网上的物质冲洗下来作为微塑料分析的样品。这类方法比拖网法更容易实施，较小的采样量不易堵塞筛网，同时也能使用更小孔径的筛网获得更小粒径的微塑料样品。目前，这类方法在中国的太湖、洞庭湖、鄱阳湖、洪湖等水体采样中都有应用[11,15,19]。但这类方法也存在一些问题：首先，单点采样可能降低像微塑料这种分布不均匀污染物样品的代表性；其次，无论水泵抽水还是水桶打水都难以保证对所有表层水的稳定采集；最后，也是最值得注意的问题是不同采样方法得到的数据间如何进行比较。

图1 过滤法（左）和拖网法（右）采集微塑料样品

不同采样方法所得数据间如何比较的问题，是目前微塑料研究面临的最大问题之一。相对于海洋微塑料研究较为统一的拖网采样法，湖泊微塑料研究不同的采样方法必然会导致不同的数据呈现形式。拖网采样法使用“个/km2”这类面积浓度单位，而过滤法则采用“个/L”或“个/m3”这种体积浓度单位[27]。虽然可以通过一些换算方法将面积浓度转换为体积浓度，但准确性较差。另外，过滤孔径和采样体积的差异也使得即使都用体积浓度作为单位，两种采样方法所得数据间也存在极大的差异。从这个角度来看，湖泊微塑料污染研究急需确定一套适合自身特点的采样方法，并将其标准化，以实现研究结果的科学对比。

湖泊微塑料样品采集后的分析工作也存在一些自身特点。由于初级生产力较高，湖泊中有机碎屑和生物体的含量较高，因此对样品中有机部分的消解是处理样品的必要步骤。使用较为广泛的消解试剂是30%的过氧化氢溶液，在60 °C左右的条件下对样品进行72 h的高温消解。有的研究用亚铁离子参与的芬顿反应（Fenton）来加速过氧化氢消解的速率，但这需要控制消解后产生的氢氧化铁沉淀[28]。与海洋和河流的微塑料样品相比，湖泊微塑料样品可能混杂着更多以纤维素为主要成分的大型沉水植物残体，这些有机体很难通过过氧化氢或芬顿反应彻底消解，而纤维素残留可能会干扰对纤维型微塑料的分析。除了采样时尽量避免采集到沉水植物残体外，样品消解前通过挑拣冲洗等手段对这些沉水植物残体进行分离也是十分必要的。

湖泊微塑料分析中，微塑料的识别、聚合物类型的鉴定等问题，也是水体乃至环境介质中微塑料分析鉴定共同面临的问题，在此也不再赘述。总的来说，一套针对湖泊特征的标准化采样和分析方法对湖泊微塑料污染的研究有着重要意义。

2 湖泊微塑料污染现状

研究人员从关注湖泊微塑料污染开始，在各地的研究中发现较高的微塑料丰度。对北美五大湖的最初研究发现不低于大洋环流区的微塑料丰度（105个/km2数量级）[25]，而后在针对太湖的研究中，研究人员发现高达106个/km2的高丰度微塑料污染，这已经远高于当时大洋环流中发现的微塑料水平[19]。即使是人迹罕至的青藏高原湖泊，本团队仍然在青海湖表层水中发现达到105个/km2的微塑料污染[14]。上述研究都采用拖网法进行采样，便于与海洋中采用类似方法的研究数据进行对比。在其他一些采用过滤法的研究中，科研人员发现了更高丰度的微塑料污染。对中国的洞庭湖、洪湖、鄱阳湖、太湖和乌梁素海等湖泊的调查发现，在采用过滤法采样时，这些湖泊微塑料的丰度高达103～104个/m3数量级水平[11,13,15,19]。这一水平远高于一般采用拖网法采样时换算成体积浓度的水体微塑料水平（一般为0.1～10 个/m3数量级水平）。虽然这可能是由于采样方法差异导致的差别，但与近几年发表的海洋和河流中采用类似方法的微塑料调查结果相比，这一水平仍高出1～2个数量级，特别是一些受人类活动影响较大的湖泊。更高丰度的微塑料污染水平还出现在本研究团队对三峡水库这一人工湖库水体的调查中，高达106～107个/m3水平的微塑料污染是全球采用拖网法采样获得的最高微塑料污染水平之一[29-30]。水库可以理解为是一类人造的湖泊，通过拦河蓄水，将上游河流带来的物质都拦蓄在其中。特别是大型河流上的干流水库，可以认为是湖泊汇集污染物的极端情况。因此，三峡水库的高微塑料污染水平进一步表明，湖泊可以通过蓄积流域内的塑料垃圾成为流域内微塑料污染重要的汇。

不同于传统的污染物，微塑料是一类而非一种特定的物质，因此微塑料在形状、大小、颜色和性质等方面存在巨大的差异。在早期拖网调查的研究中，湖泊微塑料和海洋中的类似，以碎片和碎块型微塑料为主（图2）。在对青海湖的研究中80%以上的微塑料以碎片形式存在，而在对北美五大湖的研究中90%的微塑料以碎块形式存在（本研究没有区分碎片和碎块）[14,25]。这些碎片和碎块被认为主要来自人类使用的塑料包装和塑料容器。在过滤法研究中，纤维在微塑料污染中逐渐开始占据优势，部分调查中甚至90%以上的微塑料都是以纤维形式存在的[11,13,15,31]。这类微塑料纤维被认为是通过大气传输或洗涤废水进入湖泊中的。无论哪种形状的微塑料，都能够体现出湖泊受流域内人类活动的影响。如青海湖高丰度的透明微塑料碎片被认为和旅游活动中未经处置的塑料包装密切相关，而长江中下游一些湖泊中较多的纤维状和线状微塑料则被认为与渔业活动有一定关系[11,14-15]。因此，微塑料的形状在一定程度上体现出湖泊是流域内塑料污染的最终汇。

图2 湖泊微塑料研究中发现的典型微塑料颗粒[14]

从粒径分布的角度来看，小尺寸的微塑料在各类水体中都占据优势，湖泊中也不例外，这可能是过滤法可以获得更高微塑料丰度的原因之一。一些湖泊的环境更有利于小尺寸微塑料的形成，如青海湖和青藏高原其他湖泊的强紫外辐射、大风以及干燥的气候条件都是微塑料形成的有利条件[14,21]。对于浅水湖泊来说，风浪的强烈机械作用和颗粒物的磨损作用也是微塑料形成的主要驱动力。与河流相比，湖泊较长的水力停留时间使其中的微塑料更容易向微型化发展。本团队在对长江中下游干流微塑料的研究中发现，鄱阳湖和洞庭湖湖口区域小粒径微塑料的占比更高，同时丰度也更高。一方面，说明湖泊可能具有形成更多、更小微塑料的条件；另一方面，也表明在某些条件下湖泊可能成为河流微塑料污染的源[32]。

塑料是多种聚合物的统称。聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）以及人造纤维素是湖泊中常见的微塑料类型。PE和PP是目前全球范围内使用量最大的两种塑料制品，主要用于包装材料和日常塑料用品的制作，这也是湖泊中发现大量PE和PP微塑料的原因。PET、人造纤维素和PP是人造织物纤维最常见的几种材料。湖泊中微塑料的聚合物类型与其他类型水体的研究结果没有太大差别，特别是与海洋的微塑料组成没有太大差异，这也说明湖泊和海洋一样接纳了通过各个途径输送的微塑料。

根据湖泊中微塑料的丰度和污染特征，研究者们还尝试分析湖泊中微塑料污染的来源。对北美五大湖的研究表明，湖泊周边的人类活动，特别是入湖河流从流域内城市带入的塑料污染，对湖泊微塑料丰度有重要影响[23,25,33-34]；对蒙古国偏远地区湖泊的研究发现，在离聚居点较近的湖区微塑料污染水平较高[24]；对青海湖的研究显示，湖滨带的旅游活动对湖泊微塑料污染贡献显著（图3）[14]；对三峡库区的调查也发现，库区支流河口的微塑料污染水平和流域内经济社会发展水平密切相关。因此，湖泊流域内的人类活动是湖泊微塑料污染的最直接来源[29-30]。与海洋可能受到远距离微塑料传输的影响不同，湖泊能够更直接地反映较小空间尺度上的塑料污染来源。河流不仅是海洋微塑料污染也是湖泊微塑料污染的重要来源。一般输入湖泊的河流都较小，因此可以通过湖泊和河流微塑料污染水平的关系分析河流输送对封闭水体微塑料污染积累的影响。本团队对青海湖5条主要入湖河流的微塑料调查发现，这些河流的微塑料丰度均低于主湖区水平，并且会在河口区域形成稀释效应[14]。不可否认的是，河流仍在持续向封闭的湖泊输入微塑料，但另一方面，随着湖泊对微塑料的日益积累，湖泊的微塑料丰度将高于湖泊输入的水平。从这个角度看，一些大型封闭湖泊可以很好地预测海洋微塑料污染的未来。

图3 湖滨带大量的塑料垃圾

3 微塑料在湖泊中的迁移转化

与其他污染物一样，微塑料在水体中也存在着迁移转化过程。微塑料在湖泊中的迁移转化分为水平方向和垂直方向的迁移。这些迁移转化过程不仅影响微塑料在湖泊中的分布，也对湖泊成为内陆水体微塑料重要的汇产生影响。

微塑料在湖泊中的水平迁移可能受到风力和湖流作用的共同影响。面积较小的湖泊一般不会产生明显和稳定的湖流，因此风力作用是驱动湖泊微塑料水平迁移的主要驱动力，这在欧洲和国内的湖泊微塑料研究中都有发现。Zhang等人[21]对藏北高原湖泊岸带土壤中微塑料的研究发现，下风向湖岸的微塑料丰度明显高于上风向湖岸。由于藏北高原湖泊周边人类活动稀少，微塑料污染源较为分散，主要来自周边交通运输和畜牧业活动，而这些活动在湖岸带的分布也比较均匀。因此，藏北高原湖泊上下风向湖岸带微塑料丰度的差异能够较好地说明风力对湖泊微塑料水平迁移的作用。一些大型湖泊或存在进出水口的通途湖泊，往往存在较为明显的湖流，这一特点在北美五大湖地区以及中国最大的湖泊青海湖中表现尤为明显。对北美五大湖的研究表明，大型湖泊中的微塑料会随着湖流存在明显的迁移[33-34]。研究也显示，青海湖中的塑料会随着由风力和入湖水流驱动的湖流向湖心汇集，导致虽然青海湖微塑料的主要来源是湖泊南岸的旅游活动，但湖心区却是整个湖泊微塑料污染丰度最高的区域，这与海洋中大洋环流形成微塑料富集区十分相近[14]。

相对于水平迁移，微塑料垂向迁移可能对湖泊成为微塑料汇的作用更大。目前，相关研究显示每千克湖泊沉积物样品中有几十到上千个不等的微塑料颗粒，这表明湖泊中的微塑料有向沉积物沉淀的趋势[11,35-37]。微塑料的垂向迁移主要通过自身密度、生物膜生长以及生物摄食排泄等作用驱动。塑料的聚合物类型多种多样，其密度也存在较大区别，有的小于水，有的则大于水。水体中微塑料主要以密度小于水的聚乙烯和聚丙烯为主，而海洋和湖泊沉积物中往往发现比例更高的高密度微塑料颗粒，如聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙等。相对流速较快的河流来说，湖泊相对静稳的环境给微塑料的沉淀提供了更好的条件，这可能也是相关研究在湖泊沉积物中发现较高丰度微塑料的原因。除了高密度微塑料之外，湖泊沉积物中的微塑料仍以PE和PP等低密度微塑料为主。这些低密度的微塑料颗粒的垂向迁移可能和微塑料表面的生物膜作用、生物摄食作用有关[38]。作者团队对于湖泊微塑料的垂向迁移作用机制的研究发现，塑料颗粒在湖泊中被大量的生物膜附着（图4），而生物膜上吸附的无机颗粒物则对塑料颗粒的密度增加和沉降起到关键作用。湖泊的高营养和高浊度条件最有利于生物膜驱动的微塑料垂向迁移，而这在一些平原地区浅水湖泊中是非常常见的本底条件[39]。另外，微塑料被水生生物摄食和排泄的过程也会导致其垂向迁移。大量的研究表明淡水生物，如贝类、鱼类、蝌蚪、浮游动物等都可以摄入并排出微塑料[40-41]，这些被生物排出体外的微塑料由于食物残渣或粪便的包裹，密度变大，也更容易进入沉积物中。从上述影响湖泊微塑料垂向迁移的条件看，富营养化的浅水湖泊初级生产力高、生物量大，具有较好的微塑料垂向迁移条件，这也使得这类湖泊成为值得重点关注的微塑料的潜在汇。

图4 湖泊中塑料表面生长的生物膜[39]

除了在湖泊内部空间的迁移外，微塑料还可能会被湖泊中水生生物摄食或附着。针对湖泊的这类研究还相对较少，国内对于太湖、青海湖等水体中水生生物的研究都表明微塑料可以被湖泊中的鱼类、贝类等摄食。对海洋大型藻类的研究表明，大型水生植物对微塑料有明显的捕集作用[42]，因此有理由相信湖泊中的沉水植物和大型丝状藻类也会产生类似的效应。目前，湖泊生物摄食对微塑料作用的研究还比较有限，需要进一步的探索。

4 湖泊微塑料的研究展望

综上可知，湖泊由于其自身的特点，已成为内陆水体微塑料的重要汇。在一定程度上，湖泊就像是内陆的海洋，承受着流域内微塑料污染的巨大负担。与湖泊面临的微塑料污染压力相比，目前对湖泊微塑料污染的研究还很有限，为揭示湖泊微塑料的污染特征、环境归趋和生态风险，有必要在以下领域进一步开展相关研究。

（1）进一步规范湖泊微塑料的采样方法

正如本文前面所提到的，目前国内外对于湖泊微塑料的采样调查方法还缺乏统一性，这一方面造成数据比较上的困难，另一方面也对科学决策产生影响。因此，有必要针对湖泊特点结合目前各种微塑料采样方法的优劣，进一步规范湖泊微塑料的采样和结果表征方法。具体来说，需要对比拖网法与过滤法在实践中的差异、实施难易程度和对研究中更关心的微塑料类型的采集效果，开发针对不同大小湖泊和不同类型船只均适用的采样方案。最后，还需要规定湖泊微塑料的计量单位，以方便对不同湖泊的调查数据进行对比。

（2）加强对湖泊微塑料来源的识别研究

目前，对湖泊微塑料污染的研究仍然主要集中在其污染特征上，而对环境微塑料来源的识别无论在哪个类型的水体中都比较困难。相较于海洋的大面积和河流的高流速，湖泊相对较小的面积和相对稳定的水文水动力条件给确定湖泊微塑料的来源提供了便利，因此湖泊有潜力成为微塑料污染源解析研究的有利场所。目前还缺乏微塑料源解析的有效工具，因此有必要以湖泊为对象，利用微塑料污染的特征，开发微塑料源的解析方法，加强对湖泊微塑料来源的识别研究，区分河流、湖岸、大气传输等不同来源的微塑料输入量，为从源头控制湖泊微塑料污染提供科学指导。

（3）从生态系统尺度评估湖泊微塑料的毒性效应

微塑料作为一种新型污染物，其毒性效应一直是学界和公众关注的热点。目前对微塑料的毒性效应已有大量研究，但这些研究还存在一定局限性，比如使用的暴露剂量远高于环境微塑料的浓度，使用的塑料类型不符合环境微塑料的特征等。目前，从已报道的微塑料丰度和特征看，环境浓度和环境特征微塑料在实验室内进行模拟存在一定难度。已有一些研究尝试在生态系统尺度探究环境浓度和环境特征微塑料的毒性效应。湖泊作为微塑料污染的热点区域，其表层水和沉积物容易成为微塑料的富集区，而这些区域给研究微塑料在生态系统尺度的毒性效应提供了便利。相关研究可以考虑从种群动态、群落结构变动、生态系统结构和功能的角度去研究微塑料对湖泊生态系统的影响，为丰富微塑料毒性效应的研究提供帮助。