全球河流中生物污损与异质聚集作用对塑料动态与生物地球化学循环耦合关系的影响模拟研究

为揭示内陆水体中微塑料与生物地球化学循环的耦合机制，研究人员通过扩展NICE-BGC模型，首次量化了生物污损（biofouling）和异质聚集（heteroaggregation）对全球河流塑料动态的影响。结果表明，高悬浮颗粒物（SPM）和总有机碳（TOC）区域易形成异质聚集体，而缓流区生物污损塑料比例显著增加。该研究为陆-水连续体中塑料与碳循环的协同调控提供了关键理论支撑。

　　

塑料污染已成为全球性环境危机，而内陆水体作为连接陆地与海洋的关键通道，其微塑料迁移机制与生物地球化学循环的交互作用长期未被充分认知。现有研究多聚焦海洋塑料分布，却忽视了河流中微塑料通过异质聚集（与悬浮颗粒物结合）和生物污损（藻类附着）等过程发生的形态转化，这些过程会显著改变塑料的沉降速率和输运路径。更棘手的是，传统模型缺乏对塑料多形态（原始态、异质聚集态、生物污损态及复合态）的动态模拟能力，导致全球塑料通量评估存在巨大不确定性。

针对这一科学空白，日本国立环境研究所的Tadanobu Nakayama团队在《Global and Planetary Change》发表研究，通过耦合生态水文与生物地球化学循环模型（NICE-BGC），首次在全球尺度量化了生物污损和异质聚集对塑料动态的影响。研究创新性地引入"遭遇核速率"（encounter kernel rate）计算藻类附着生长，并构建了四种微塑料形态的转化方程，模拟了不同网格分辨率下碳-塑耦合通量的时空变异。

关键技术方法
研究整合了多源数据（包括CRU气候数据和USGS水文数据），采用过程驱动的NICE-BGC模型框架，新增微塑料形态转化模块：1）异质聚集速率基于Praetorius理论计算悬浮颗粒物（SPM）碰撞概率；2）生物污损动态采用Kooi模型模拟藻类生长对塑料浮力的影响；3）通过全球主要河流的实测数据（如DOC、POC浓度）验证碳-塑耦合通量。

研究结果

不同网格分辨率对水文、碳和塑料循环的影响
高分辨率模拟显示，北欧泥炭地等区域因强径流导致溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）通量显著增加，而亚洲和非洲因人类活动呈现塑料通量热点。粗分辨率会低估小流域的碳-塑耦合效应，证实空间分辨率对全球评估至关重要。

生物污损与异质聚集的时空变异效应
模型首次揭示：1）高SPM和TOC河流中，微塑料48小时内即可形成异质聚集体，其沉降速度提升3-5倍；2）生物污损塑料在滞留时间＞7天的缓流区占比达60%，且呈现昼夜波动（藻类光合作用导致）；3）河口区盐度梯度使生物污损塑料占比骤降，证实环境因子对形态转化的调控作用。

全球塑料收支评估
整合水库、湖泊、河床和河口多介质存储后，估算全球河流年输入海洋塑料为1.3-2.4百万吨。异质聚集使30%的塑料滞留于河床沉积物，而生物污损导致5-15%的塑料在湖泊长期储存，这一发现修正了既往认为塑料主要存在于水体的认知。

结论与意义
该研究开创性地将微塑料形态动力学纳入全球生物地球化学模型，揭示出：1）异质聚集主导高浊度河流的塑料沉降，而生物污损是缓流系统塑料滞留的关键驱动力；2）碳循环指标（如DOC/SPM）可作为预测塑料分布的生物地球化学标记物；3）网格分辨率＜0.5°时才能捕捉小流域的碳-塑耦合变异。这些发现不仅为《巴黎协定》背景下的碳-塑协同治理提供科学依据，其开发的形态转化算法更被评价为"下一代塑料循环模型的必选模块"。正如作者强调，未来需结合原位观测（如傅里叶变换红外光谱表征塑料表面生物膜）进一步优化遭遇核速率的参数化方案。