全球河流微塑料污染研究进展＊

王兆清，张玉兰，康世昌，杨玲，高坛光†

①兰州大学 资源环境学院，兰州 730000；②中国科学院西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室，兰州 730000

塑料在我们的生活中无处不在，极大地方便了人类。据统计，2018年全球的塑料产量为3.59亿t[1]，然而，塑料在造福人类的同时也产生了严重的环境问题。特别是近年来，对微塑料污染及其影响的研究日益加强，学者们普遍将粒径小于5 mm的塑料颗粒界定为微塑料（microplastics,MPs）[2]。环境中的微塑料具有多种形态和颜色[3-4]，可分为初级原生微塑料以及由大块塑料风化破碎而产生的次级次生微塑料[2,5-6]。微塑料是一种新型的全球性环境污染物[7]，广泛存在于水体、沉积物、生物、土壤、大气等环境介质中[5,8-11]。生物体（如海鸟[11]、蛤蜊[12]、鱼[11,13]、虾[14]、藻类[15]等）、食盐[16]、饮用水[17]、啤酒、蜂蜜[18]中也鉴定出微塑料。破碎的微塑料表面易附着无机污染物和重金属[9,19-20]，成为其他污染物的载体[21-22]。微塑料破碎过程中释放的添加剂也对生物有毒性作用[7]。

河流在微塑料传输过程中扮演重要角色，是微塑料入海的重要途径[23-24]。河流通过不同的渠道汇集了众多陆地微塑料，包括随机释放的污水、降雨等[25-26]。合理监测河流中微塑料的浓度范围，可以更准确地预测微塑料通过河流入海的通量。目前，对微塑料经河流入海通量的模拟研究存在着模型指数单一、源数据不准确等显著问题[27-29]。例如，以管理不当的塑料垃圾预估值为指标，Schmidt等[27]预测出微塑料从河流入海最多的10条河流中有8条在亚洲，也有研究指出长江的微塑料入海通量被高估了[30]。Mai等[28]采用的人类发展指数模型覆盖面积更大、涵盖社会因素更多，合理预测出2010—2050年全球海洋的河流塑料垃圾积累量将增加到500万t。因此，建模需要考虑众多因素，才能对微塑料入海通量进行准确预测[31]。

全球河流微塑料污染研究主要集中在城市地区，如中国珠江和越南西贡河，而偏远地区研究较少，如青藏高原这种生态环境脆弱的地区。长期监测可以预估微塑料对生物及生态系统的影响，因此通过分析全球河流微塑料污染研究现状，制定出合理的实验方案为后续研究奠定基础。鉴于此，本文通过分析全球河流微塑料污染研究现状，以期阐明河流微塑料污染的时空特征，探讨不同区域河流微塑料污染的来源，进一步明确河流微塑料污染对环境的潜在影响。

1 全球河流微塑料污染特征

1.1 全球河流MPs的浓度

微塑料污染研究始于海洋，近几年才开始对陆地水体进行广泛研究。全球河流微塑料污染研究主要集中在亚洲，尤其是中国（图1）。其中，对河水中微塑料污染的研究最多，研究对象包括生物体、水体和沉积物，对生物体内微塑料的研究常常以肠胃为亚样本表征（表1）。微塑料预处理分消解和提取两步，消解有机质过程常用的氧化剂包括10% KOH和30% H2O2，而提取过程常采用ZnCl2和NaCl。鉴定过程需要显微镜搭配鉴定仪器（拉曼光谱仪（Raman）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）等）完成，显微镜观测微塑料的物理特征，鉴定仪器可以表征微塑料的化学组成。

图1 全球河流微塑料研究分布

美国金尼克河（Kinnickinnic River）鳟鱼体内检测到的微塑料浓度高于其他研究结果1～2个数量级，可能是由于雨水和污水处理厂的微塑料对水生生物产生了严重影响[32]。在爱尔兰河鲑鱼体内鉴定出的微塑料浓度最低，在该检测过程中忽略了粒径小于100 μm的微塑料颗粒[33]。澳大利亚虾体内检测出的微塑料浓度也很低，平均为每只（0.52±0.55）个，可能是因为虾相比鱼类个头小、食物来源少，同时在虾栖息地的水体中检测到微塑料浓度也很低，说明该处受到的污染程度低[34]。

对各条河流的微塑料浓度比较发现，巴西南部的西诺斯河（Sinos River）中鉴定出的微塑料浓度最高[35]，黄浦江、苏州河及黄河下游河口检测出的微塑料浓度较高[36-37]。这是因为西诺斯河流域人口稠密、工业发达，未经处理的污水直接排放，释放了大量微塑料[35]。其次微塑料污染程度受土地使用类型的影响。经比较发现，工业区的土地微塑料污染最严重[36]，而微塑料也会聚集在水力交换能力汹涌频繁的河口区[38]。研究发现，美国金尼克河和越南西贡河（Saigon River）中鉴定出的微塑料浓度很高[32,39]。金尼克河汇集了大量的雨水和频繁人类活动排放的污水，而西贡河则受到纺织和服装工业的严重影响。比较发现，微塑料污染程度最小的是埃布罗河（Ebro River）[40]。对珠江地区的研究发现微塑料污染情况存在很大差异，其中伶仃湾鉴定出的浓度非常低[41-44]。已有研究证实不同的采样方式也会使鉴定结果产生差异，伶仃湾使用333 μm生物网采样，而其他研究则使用大流量采样[45-47]。另外，除伶仃湾外其余三项研究的采样点均在城市，受人类活动影响较大，污染程度较高。综上可见，微塑料污染程度与人类活动和土地利用类型息息相关[3,48-49]。

沉积物是微塑料在河流中暂时存储的汇[50]，因此，研究河流沉积物可以反映一段时间内微塑料的污染程度[51]。以每千克干重为标准单位进行对比发现，微塑料丰度高值从苏州河和突尼斯北部的吉达拉河（Jedara River）的沉积物中测得，推测主要受城市和工业废水影响[36,52]。在青藏高原和印度尼西亚奇瓦伦格河（Ciwalengke River）中鉴定出的较少，低于高值两个数量级[53,54]。奇瓦伦格河的样品多数临近农业区，并且在处理过程中未剔除小粒径颗粒，说明农业区对微塑料污染的影响不大[36,48]。青藏高原偏远地区受人类活动影响小，因此污染程度低。释放到水环境中的微塑料会经历多个过程，包括破碎/降解、生物淤积、聚集、再悬浮或埋藏在底泥中。微塑料在水体中破碎形成小粒径微塑料后沉降速率也会减小[55]。河水的潜流交换[56]、降雨事件[48]促进水流速度增加，影响微塑料的沉积，因此微塑料浓度在沉积物和水体中存在差异[57]。

1.2 河流MPs特征

微塑料的特性可以反映其来源。形状和表面结构能反映微塑料的来源、运移距离及破碎程度[58-59]，聚合物类型可反映微塑料的源物质，颜色和尺寸是辅助识别特征。学者们按照形状将微塑料划分为5类：纤维、碎片、微珠、薄膜、泡沫[10]。纤维多来自于衣物洗涤过程，经废水携带进入环境[60]；微珠多为添加在化妆品或磨砂膏中以增加清洁效应或添加在涂料中广泛应用于建筑材料行业的初级微塑料[59]；塑料泡沫多用于隔热材料和设施包装[61]；碎片和薄膜主要是由大塑料碎片或农用薄膜破碎形成的[62]。水生生物体内的微塑料以纤维和碎片为主，纤维占比最大，但针对在淡水河[58]、奥凡托河[63]的两项研究中，纤维占比很低。淡水河中碎片状微塑料最多，奥凡托河中碎片和薄膜状微塑料较多。纤维和碎片在沉积物中较常见，沁河和巴拉那河中薄膜状占比最大[45,64]。北江[65]水样中存在较多的泡沫状微塑料，且为北江中鉴定出最多的形状，其余研究多不含或含有少量微塑料。在洛东河水样[66]和汉江生物样本[67]中均鉴定出高含量碎片状微塑料，且洛东河中碎片状微塑料粒径多小于300 μm。因为水体潜流交换会优先影响表面积较大的小粒径微塑料[56]，因此沉积物中微塑料粒径较小。截至目前，环境中鉴定出的微塑料粒径以小于1 mm居多，部分研究中粒径小于500 μm甚至小于200 μm的颗粒占比很大[37,39,42,53,68]。

微塑料的颜色以蓝色和白色最多，透明和黑色次之。彩色塑料是为了满足不同用途的应用而生产的，同样具有质轻、化学性稳定、不会锈蚀、耐冲击性好、耐磨耗性强的特征，但在低温下容易变脆老化。环境中彩色微塑料多，说明是由多个污染源输入的。彩色微塑料很容易被生物误食，从而导致微塑料在生物体内积累。白色微塑料占比较大可能是因为环境中的微塑料经风吹日晒易掉色[3]，而实验中选取的部分氧化剂（如次氯酸钠）也会漂白微塑料[69]。

水体和沉积物中的微塑料以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）为主，生物体内则多为聚酰胺（PA/nylon）和人造丝。聚酯（PET）在岷江、古尔本河和苏州河中较多。聚乙烯和聚丙烯广泛应用于农业薄膜、包装材料、注射用品中，和人类日常生活分不开[57]。尼龙和聚酯在纺织行业应用广泛，尼龙为生产衣物的原材料，聚酯则被用作包装材料[23]。

图2 全球河流微塑料特征

2 河流MPs的源和汇

微塑料可在不同环境介质之间进行迁移。河流中的微塑料主要来源于人类活动和大气传输。丰富的人类活动是微塑料的主要来源[70]。废物管理不当[61,64]、日常衣物洗涤、工厂生产制造过程、直接排放进入环境中的污水、频繁的旅游娱乐活动[70]、快递外卖等行业的快速发展[59,71]，以及汽车轮胎磨损[55,72]等都会产生微塑料污染。轻质微塑料可由大气输送至偏远地区[59]，大气传输已被证实是偏远地区微塑料污染的重要来源[8]。近距离的大气传输，也会加大河流中微塑料污染的负担[29,73]。干沉降过程随时产生，在日常生活环境中收集的样本检测出微塑料[74]。研究表明，湿沉降每年产生的微塑料总量是污水处理厂的6倍[36]。降雨不仅会携带微塑料进入水环境，大规模的降雨也会扰乱水体内微塑料的分布，并且很有可能携带微塑料溢出[48]。这解释了为什么有研究得出降雨后微塑料浓度增大[58,75]，但也有研究得出降雨后浓度降低[48]。

3 河流MPs污染的潜在影响

3.1 MPs的危害

微塑料是一种新型的全球性环境污染，可在食物链中传递[76]。首先，在水体中小粒径微塑料能加速微凝胶的形成[77]，且具有表面积大、疏水性强的特征。表面破碎的微塑料会吸附其他微塑料或者金属[19]，也会成为疏水性化学品的活性载体（如持久性有机污染物、多氯联苯、二氯二苯二氯乙烯、壬基酚）和吸附剂[61,65,78]。附着在微塑料表面的生物污垢或无机物会增加微塑料的密度，造成微塑料下沉[38]。其次，人类在日常生活中很容易接触到微塑料，饮用水和海产品中均含有较高浓度的微塑料[7,12,14,16,35,79]。微塑料可以通过消化道、呼吸道和暴露皮肤对生物和人类产生危害[78,80]。例如：蚯蚓暴露于存在聚乙烯微塑料的环境后，雄性个体生殖器官受损，蚯蚓将摄入的微塑料破碎成纳米塑料[81]；聚苯乙烯小球通过附着在藻类细胞壁上，堵塞细胞吸收营养物质的通道，从而抑制了藻类的生长[15]；微塑料对人类产生的危害主要表现为肠胃毒性和肝脏毒性，涉及氧化应激、炎症和代谢紊乱[7]。

3.2 添加剂

塑料生产过程中会使用各种添加剂（如多溴二苯醚、邻苯二甲酸酯、壬基酚、双酚A、抗氧化剂等）来改变塑料特性[78]，以满足不同行业的需求。添加剂释放到水体中，造成水生生物内分泌失调，细胞产生诱变甚至致癌[9]。微塑料与添加剂共同暴露会导致实验鼠体内死亡和氧化应激的协同作用增加[21]。增塑剂会影响生物体内的激素分泌水平，且其毒性作用不断积累，对生物体的肝脏和生殖系统产生危害。此外，阻燃剂、热稳定剂和抗氧化剂也会对生物体产生损伤[82]。

3.3 与其他污染物协同的危害

微塑料和疏水性有机污染物的相互作用极为复杂，可能是拮抗作用或者轻微副作用[21]。微塑料可以与重金属（汞、铜、铅、铬、银、金）相互作用，通过富集重金属，从而改变微塑料的生物富集和毒性，且塑料的理化性质差异会导致其与重金属复合效应的差异[9]。环境中的微塑料不断老化时，不仅会影响微塑料自身的性能，也会影响与其他污染物的协同毒性。微塑料进入食物链，并在生物体内积累，生物放大作用可能会在高营养水平的生物体中产生[59]。

4 结论和展望

微塑料在环境中无处不在。通过对全球河流已有研究的整理总结发现，西诺斯河水微塑料浓度最高为330 200个/m3，在苏州河和吉达拉河沉积物中鉴定出较高微塑料浓度，每千克干重分别为（6 233.4±1 890.4）个和（6 920.00±395.98）个。受到水流潜流交换、降雨事件等的影响，水体和沉积物中的微塑料浓度存在差异。河流中以蓝色、白色纤维状的小粒径微塑料为主，主要的化学成分为聚乙烯和聚丙烯。环境中的微塑料具有潜在毒性，目前亟需对其加强毒理性研究。微塑料自身的毒性、在破碎降解过程中释放的添加剂，以及在水环境中吸附的有机污染物、重金属及生物污垢，都会对环境造成影响。

目前，由于实验过程中试剂选择的不统一，鉴定仪器的精度差异，使得关于微塑料污染的研究结果难以进行比较。因此，需要统一研究方法，采样时要考虑不同的环境介质中微塑料的时空分布差异。研究微塑料污染的时空分布可以很好地了解微塑料河流入海的途径。

应对当前微塑料污染，首先要从源头上控制，制定塑料管理措施，合理处理塑料垃圾；其次要开发环境友好型可降解塑料，如果水体环境中的微塑料存在时间大于陆地，则更难降解，而可降解塑料就可以较好地避免降解缓慢这个问题；最后通过改造污水处理装置，制定排放标准，使得排放到环境中的微塑料在总量上有所减少。

微塑料通过大气传输至偏远地区已被证实。对比发现青藏高原地区微塑料浓度普遍较低，只有在像青海湖这样的旅游区因广泛的人类活动而导致较高的微塑料浓度。青藏高原地区地势独特，目前在该地区展开的微塑料相关研究较少，不能系统地表征整体浓度水平。除水体外，固态水（雪冰）中的微塑料也值得探索。青藏高原上具有除南北极之外最多的冰川和积雪，雪冰中的微塑料分布研究可以补充全球水环境中微塑料的赋存状况，推进微塑料污染的研究进程。